1.課題目標

本課題主要目的為了解并聯臂結構3D打印機的基本結構和工作原理，并親手組裝一臺并聯臂3D打印機。其中特別負責打印機的擠出裝置，探討擠出裝置不出絲的問題并考慮解決方案。

2.背景

??? 3D打印(Three Dimension Printing, 3DP)技術是采用離散材料(液體、粉末、絲、板、片、塊等)逐層累加原理制造實體零件的技術。相對于傳統的材料去除技術，3D打印是一種自下而上材料累加的制造工藝。進入21世紀以來，Delta系列機器人呈現出高速、高精度、靈活性等發展方向, Pier-rot團隊相繼發明了四支鏈的H4 以及Part4等機構, Clavel先后提出將外轉動副改為移動副的三種變異形式，即直線型Delta結構，本文組裝的3D打印機，其結構即為一種直線型Delta結構。

Delta結構3D打印機是Delta結構并聯機器人與3D打印的融合。Delta型3D打印機作為3D打印機的個重要分支，它以價格低、占地面積極少，實用等優點在現實生活中應用的越來越廣泛。Delta型3D打印機具有結構簡單、安裝維護方便性價比高等特點。Delta型如打印機因其區別于其他類型的3D打印機的獨特優勢在實際生活中應用越來越廣。Delta機型是一種并聯式運動結構的3D打印機，Delta機型實際上是分為兩大類一種是工業上用的并聯式機器人，另外一種是rostock的運動結構。本文組裝了款Delta型3D打印機即基于三臀并聯結構的桌面微型3D打印機。把工業用的并聯機械手搬到普通家庭的桌面上，讓其實現三維打印，讓我們不需要花很高的成本去買專業級別的3D打印機。我們有時候想制作出些模型來觀察和實驗，不需要很高的精度，只是需要速度。我們便用Delta型并聯機械手臂來實現3D打印，能保證一定的精度和速度，如果能制作出這樣的3D的打印機，很多工程師都可以將自己的設計打印出來，通過對型3D打印機的深入研究挖提出其特有的優勢使如打印技術發揮越來越大的作用

3.基本原理

3.1 Delta 3D打印機機構描述

Delta 3D打印機常被稱為三角洲3D打印機或是并聯臂3D打印機，該3D打印機由定平臺、動平臺以及連接兩平臺的3個分支組成,3個分支以定平臺中心呈對稱分布，具有相同的運動鏈，都含有一個平而平行四邊形機構。該平行四邊形機構一端與滑塊連接，另一端與動平臺連接，動平臺中心與該3D打印機的打印頭部分相連接，該平行四邊形機構可等效為過其上下邊中點的一根單桿?；瑝K安裝在直線導軌上，導軌的下方安裝有3臺步進電機，步進電機帶動軸上的同步帶輪做旋轉運動，同步帶輪依靠與滑塊固定在一起的同步帶，將同步帶輪的旋轉運動轉變為滑塊的直線運動，滑塊的上下運動使得動平臺完成對打印頭位置的控制。

3.2 打印原理

三維打印技術：首先利用三維設計軟件對零件進行三維CAD實體建模，并將得到的三維實體模型以一定的厚度進行分層切片處理，生成二維的截面信息，然后根據每一層的截面信息，利用不同的方法生成截面的形狀。這一過程反復進行，各截面層層疊加，最終形成三維實體。分層的厚度可以相等，也可以不等。分層越薄，生成的零件精度越高。FDM熔融層積成型技術是目前常用的3D打印技術之一。

三維打印機的工作原理如圖所示。計算機控制快速成型機的加熱噴頭，依據每一層截面數據作x-y 平面運動。送絲機構將絲材送至噴頭，經過加熱、熔化，從噴頭擠出的打印材料粘結到工作臺面，然后快速冷卻并凝固。每當其中一層截面打印完成后，工作臺將下降前一次打印完成的高度，然后繼續下一層的打印。如此循環重復，直到整個實體的造型完成。

3.3基本結構

Delta 3D 打印機機械系統主要包括運動機構、熱頭、擠出機構、工作臺四個部分。送絲機構將低熔點絲狀材料送給加熱器，加熱器通過擠壓熱頭將絲材熔化成液體，噴頭將熔化后的熱塑材料絲擠出，擠壓頭按照零件的每一截面信息準確運動，半流動的熱塑材料被擠出并沉積固化成精確的實際部件薄層，覆蓋于已建造的零件之上，并在0.1s內迅速凝固，每當一層完成成型，工作臺便下降上一層打印的高度，噴頭再進行掃描噴絲完成下一層截面成型，如此循環反復，直到完成最后一層成型，這樣由底到頂逐層地堆積成一個實體模型或零件。

3.4 擠出裝置

并聯臂3D打印機的擠出裝置主要包括噴頭（又稱熱頭，打印頭），擠出機（又稱送料機），散熱風扇，送料管和碳纖管組成。

Ⅰ.熱頭部分

熱頭組件主要有鋁合金散熱器、鋁合金加熱塊、黃銅噴嘴、不銹鋼喉管、電加熱棒、熱敏電阻、PTFE鐵氟龍遠程送料管、送料管接頭等元件組成。工作時，電加熱棒和熱敏電阻共同作用，使熱頭組件最前端的鋁合金加熱塊保持在一定溫度，會把塑料熔化成膠態。后頭的塑料在擠出機的作用下持續往前推擠，就可以讓膠態的塑料從噴孔連續擠出，形成可進行三維打印的熱熔絲。

Ⅱ. 擠出機部分

擠出機主要包括步進電機、擠出齒輪、U形輪、彈簧壓緊機構組成。如圖所示。

當打印機正常工作時，如圖中的擠出電機上的銅齒輪和彈簧的彈力使U形輪將耗材緊緊的夾住。當送料電機正常轉動時，電機軸上的銅齒輪通過摩擦力帶動耗材前進。耗材在熱頭部分被加熱融化成液體，擠出力通過耗材傳遞到噴頭。當擠出力大于耗材在銅頭管道流動中受到的阻力時，耗材才能從熱頭被擠出。

如果銅頭溫度不夠、銅頭內有雜質、耗材沒有得到充分熔化或過絲孔過小，就會造成阻力過大，會導致出絲不暢。

4.機器組裝

??? 4.1噴頭，風扇組裝

噴頭主要部件包括擠出頭，加熱塊，喉管，鐵氟龍內管（在喉管內），散熱器和鐵氟龍遠程送料管。各部位間都有螺紋，將擠出頭和加熱塊擰緊，喉管從另一邊擰入加熱塊，散熱器包裹喉管的上半部分也是螺紋擰緊，最后在散熱器上方擰上鐵氟龍遠程送料管。噴頭各部分之間最重要的是一定要擰緊，非常緊。

加熱塊中需要塞進加熱棒和測溫用熱敏電阻。加熱棒塞進大孔里，擰開機米螺絲后將加熱棒塞至中心，擰緊機米螺絲固定加熱棒。熱敏電阻塞進小孔里，熱敏電阻沒有配固定用的裝置，可以和加熱棒的線捆一起，反正要保證熱敏電阻不會掉出來。

用兩個半圓形的器件夾住噴頭散熱器上部較細的部分并固定到噴頭這部分的支架上，用螺絲將風扇也固定到支架上，最好使風扇線朝向一邊，特別注意風扇一定不能吹到加熱塊，否則加熱塊溫度不夠出不了絲。最后安裝好微動開關和探針，調整噴頭和風扇還有微動開關的走線到一起用理線管理到一起，整個噴頭部分算是安裝完成。

4.2碳纖桿的安裝

碳纖桿用于連接噴頭部分與導軌上的滑車。螺絲穿過碳纖桿的魚眼軸承后穿過噴頭部分的支架，螺母在另一側擰緊固定，用同樣的方法將碳纖桿另一側固定到滑車上。安裝碳纖桿值得注意的地方就是一定不要大力出奇跡，如果擰不動一定是螺絲螺母沒有對齊，大力很容易使脆弱的噴頭支架產生裂痕。

4.3擠出機的安裝

擠出機主要用于推動打印材料進入噴頭部分。首先用螺絲將步進電機固定到擠出機支架上，將擠出杠桿的一端用螺絲固定到支架另一側，注意這里不要太緊，保持擠出杠桿可以旋轉。用螺絲將壓絲輪安裝到擠出杠桿的一端，根據壓絲輪的高度在電機軸上安裝咬絲輪，注意咬絲輪凹槽需要完美咬住耗材，擰緊咬絲輪上的機米螺絲以固定。擠出杠桿的另一端則需要安裝橫向的彈簧以保證壓絲輪能夠時刻壓緊耗材。最后將擠出機整體安裝到3D打印機外部框架上。

最后在機器組裝完成后將送料管的兩端分別插入擠出機和噴頭部分的接頭里。

5.問題及改進

并聯臂3D打印機在擠出機構方面的問題主要是不出絲。

一卷厚重的材料最終從3D打印機噴頭出來后變成細細的料絲，靠的是擠出機的工作。如果擠出力不夠或者阻力過大，就會出現噴頭不出絲的現象，所以要想找到3D打印機不出絲的原因，勢必要了解擠出機的工作原理。

擠出力的產生：彈簧的彈力使軸承夾和擠出電機上的銅齒輪將耗材緊緊的夾住，擠出電機轉動時，銅齒輪通過摩擦力帶動耗材前進

擠出力的傳遞：擠出力只有通過耗材傳遞到噴頭，才能夠真正起到作用。要想擠出力順利傳遞就必須注意兩個問題：減少在擠出機到噴頭的過程中消耗的力;耗材保證固態，液態或者是變軟的耗材傳遞力不足。

阻力：耗材被加熱融化成液體后，在銅頭管道中流動會受到較大的阻力，只有擠出力大于這個阻力耗材才能被擠出。如果過絲孔過小、銅頭內有雜質、銅頭溫度不夠或耗材沒有得到充分熔化，就會造成阻力過大，最終導致出絲不暢。

出料：當(擠出力-阻力)大于等于打印機正常工作所需的值，耗材在銅頭處受熱熔化，然后在力的推動下被擠出銅頭。注意：這里指打印機正常工作所需的值，而不是可以將耗材擠出的值。

從3D打印機擠出機的工作原理中，我們可以了解到3D打印機出絲不暢主要有兩個原因：擠出力不足、擠出力傳遞損耗和阻力過大。

5.1擠出力不足的原因及解決方案

Ⅰ. 擠出電機銅齒上有耗材碎屑，銅齒輪與耗材間摩擦力減小，擠出力不足。

解決辦法：拆下擠出電機上的部件，清理銅齒輪上的耗材碎屑，以及部件內可能殘留的雜質。

Ⅱ. 擠出機部件變形，彈簧形變變小，提供的壓力不足，導致齒輪與軸承咬合力不夠，對耗材的摩擦力降低。

解決辦法：更換變形的部件，如果配備鋁合金部件可避免出現這個問題。如果打印件變形，就檢查一下風扇和散熱片的安裝以及部件固定螺絲是否擰緊。

5.2阻力過大的原因及解決方案

Ⅰ. 擠出頭被雜質堵住，導致擠出阻力過大。

解決辦法：加熱銅頭至220℃，用最細的內六角扳手伸入喉管，將喉管中殘留物帶出。若還不能解決問題，請用細鋼絲或吉他弦在加熱情況下清理噴頭的出絲口。

Ⅱ. 擠出頭溫度不夠，耗材無法充分熔化，擠出阻力過大。

解決辦法：不同的3D打印材料溫度要求是有差異的，溫度過高會使材料燒焦、噴頭堵死，打印前可向廠家了解情況。如果溫度顯示不正常，請檢查溫度傳感器接線是否正常。

5.3擠出力傳遞損耗的原因及解決方案

Ⅰ. 3D打印機風扇或者散熱片裝反，導致銅齒輪處散熱不足，耗材溫度升高，材料變軟，擠出力不能充分傳遞。

解決方案：用手試一下風扇哪邊有風，要將散熱片平整的那一面對著電機，并檢查部件是否因過熱變形。

Ⅱ.遠程擠出機設計導致的擠出力在送料管中的損耗

解決方案：更換擠出機的位置，使送絲管彎曲小，送絲管短那么送絲阻力就小，送絲也準確。實在不行在犧牲打印速度并選用重量小步進電機的情形下改用近程擠出機暴力解決。

6.感想與體會

??? 本次搭建3D打印機一是讓我深入了解了3D打印技術的發展和3D打印的原理，二則是親手搭建過程中收獲了不少解決問題的能力和親自動手的成就感。

3D打印技術的出現給工業設計的發展帶來了新的契機,以往我們使用手繪、計算機渲染等方式來表達設計造型,這些方式雖然直觀但并沒有實體模型來的生動。同時3D打印的出現使得原始的設計流程變得精簡,使設計師能夠專注于產品形態創意和功能創新,即設計即生產。產品的造型設計向著多樣化方向發展,由于3D打印的出現某些產品的制造出現了轉機。

我們使用的都是桌面級的打印機,打印出模型的分辨率和大小都有很大的限制。我在新聞上了解到幾年前就有打印出的金屬手槍,無人飛機等問世了,前年我國也有“土豪金”汽車問世,這些都說明3D打印的前景十分廣闊,將來能夠應用到醫療、軍事、建筑、航天等各個領域。但就目前來看3D打印的發展還有很長一段路要走,首先材料就是一個大問題, 3D打印的產品只能看不能用,因為這些產品上不能加上電子元器件,無法為電子產品量產。3D打印即使不生產電子產品,但受材料的限制,可以生產的其他產品也很少,即使生產出來的產品,也無法量產,而且一摔就碎。在這方面我也一些體會,因為我們所使用的打印機材料就受到一定限制。但即使如此3D打印依然很有未來。

完成這次打印機組裝離不開老師的耐心指導，通過老師的指導與傳授，減少摸索中的一些失誤，少走許多彎路。結構設計的過程，同時也是專業知識的學習過程，而且是更生動、更切實、更深入的專業知識的學習。把學過的專業知識運用于實際，在理論和實際結合過程中進一步消化、加深和鞏固所學的專業知識，并把所學的專業知識轉化為分析和解決問題的能力。同時，在搜集材料、調查研究、接觸實際的過程中，既可以印證學過的書本知識，又可以學到許多課堂和書本里學不到的活生生的新知識。

親手組裝是真正的與平時的理論學習不同，即使你認真的做出了準備還是會出現各種預料之外的事情，真正落到實物真能鍛煉自己隨機應變的思考能力，是其他情況所難以得到的。