2024年5月19日发(作者：苹果12屏幕尺寸)

3D打印机的机械结构设计

摘要：近年来，制造业为了不断提高自身产品的质量水平，大量应用3D打

印机设备进行产品制造，这种设备的应用，使得一些结构复杂的零件加工效率和

质量显著提升，也在一定程度上突破了传统工艺的局限性。在3D打印机中，基

于FDM工艺的3D打印机是一个重要的品类，但这类设备中，进口比例仍然较高，

这就需要加强对其机械结构设计进行研究，推动其国产化进程，以解决技术依赖

问题。

关键词：3D打印机；机械结构；设计

引言

自2008年起，桌面式3D打印机进入了飞速发展的阶段，这主要是因为

reprap的开源技术得到了极大的推广应用，从而产生了多个制造桌面3D打印机

的知名企业。经过不断改进，在开源3D打印机的基础上逐渐出现了SLS、SLA、

DLP、3DP等多种打印技术，对制造业的进步发展产生了重大意义。而3D打印机

的结构也出现了门架体系结构、双光轴结构、并联式结构等多种形式。

1基本结构的设计

结合实际需要，本次设计中设计人员的基本思路如下：首先，基于直角坐标

系的x轴和y轴，组成平面扫描运动框架；其次，在机构选用方面，x轴和y轴

的导轨均采用丝杠机构，z轴光杆则采用丝杆机构；最后，整体工作台选择三回

旋轴机构，该机构主要由伺服电机和转轴组成，作为3D打印机设备的驱动。基

于此设计可知，x、y、z3个方向的移动均通过丝杆加以控制，电机则为其各方向

的移动提供动力。其在实际加工部件的过程中，与普通打印机类似，均由系统控

制工作台的3个自由度旋转相应角度，以实现预期的3D打印环节。

2工作原理

3D打印机主要工作原理是通过电脑的切片软件将三维模型按照设置的层厚切

成一层一层，再根据切片算法，把面化成线的填充，再转化为G代码。3D打印机

控制软件通过串口通信的方式，把数据传送到3D打印机的主控板，主控板上的

固件主要由G代码解释器组成，G代码解释器把数据流解释为3个驱动喷头运动

的步进电机和1个挤料电机的运动，通过A4988驱动步进电机的运动。同时，它

的温控系统用了PID闭环控制，可以把温度稳定地控制在某个值，从而保证塑料

的熔化，使喷头能够均匀出丝。

33D打印机的机械结构设计

3.1三轴运动结构的设计

在确定三轴运动模式后，设计人员对其具体结构做进一步优化设计。考虑到

该3D打印机需要兼顾速度和平稳程度，因此针对X-Y平面复合运动部分，设计

为二维工字型结构，以双Y轴模式进行传送，这种传动结构在精度和直度两项指

标上的优势较为突出，其重复定位精度达到了0.1mm，且扭拧度降低至

0.02/300mm，有效避免了该三轴运动模式下可能出现的丝材扭曲或出丝不顺等问

题。在X-Y平面复合运动部分设计完成后，设计人员进一步设计Z方向的传动，

考虑到实际需要，设计人员采用丝杆螺母传动方式进行整体设计，此环节又细分

为以下两个步骤。对耐磨性进行分析，在本次Z方向的传动模式下，螺杆和螺母

均受到轴向压力影响，其磨损程度也将随着压力值增大而加剧，因此螺纹接触面

压力必须小于材料可承受的压力值，因此限定耐磨性条件为F≤πdhH。其中，F

为轴向力；d为螺纹中径；h为螺纹工作高度；H为螺母高度。同时，根据相关理

论可知，轴向压力为轴向力与螺纹承压面积之比值。将相关数据代入此公式中进

行验算后，最终确定Z方向的丝杆采用不锈钢T型丝杆，该丝杆直径为14mm，螺

距为2mm；螺母则采用长度为13.5mm的黄铜螺母。

3.2控制系统设计

用三维建模软件设计需要打印的模型，同时该模型带有颜色信息，将三维模

型保存为STL格式文件，将STL文件导入事先调整好的CURA切片软件中进行切

片并生成一般的G-code文件，但是这种G代码文件是没有颜色信息的，因此必

须通过我们设计的G-code后处理软件，将模型颜色和CURA生成的一般G-code

文件进行后处理，最终生成带有颜色信息的G-code文件。将CURA软件生成的一

般G-code文件进行后处理生成带有颜色信息的G-code文件具体流程如下：在原

有的G代码中添加颜色代码，即增加T指令，以完成我们更换丝料的目的。我们

在Marlin代码中添加了一个子程序使得Marlin代码操控的3D打印机可以准确

识别出T指令，当其识别到T指令时（T指令后面跟着数字例如T1，T2，T3代表

3种不同颜色的丝料），换丝机构上方的凸轮盘就会旋转到相应的位置，进行换

丝操作。当打印机读取到字符T以及它后面跟随的数字时，微处理器将停止运行

别的任务，决定下一步将打印什么颜色的丝料；然后微处理器将发送信号给直流

电机，直流电机带动凸轮盘旋转到目标色料顶杆上，将顶杆压下。完成这步操作

后，控制器将继续读G代码指令。

3.3打印机x-y运动机构组件设计

根据相关理论分析可知，在本次设计的3D打印机中，x-y运动机构是控制打

印机结构框架的主要组成部分，其相应的各个轴向运动均基于电动机设备，通过

其和胶头组件的结构，即可准确控制平面位置的运动情况，保证轴向面积的合理

性，以此控制物体的运行轨迹。基于此要求，x-y运动机构先从y步到达马达，

再经过传送带使y联动轴开始运动，然后y联动轴带动其他部分，驱动传送带，

带动打印头连接器开始运行，x轴的运行流程同理。基于上述研究内容，在本次

设计工作中，着重考虑3D打印机的运行稳定性，选取单同步带缠绕式模式，设

计双x-y平面，运用单条驱动方式分别控制x方向和y方向的同步带，以实现功

能相同的双层结构，具体如下。首先，设计3D打印机的U型架构，其中，架构

上层主要用于x轴方向的驱动，架构下层则主要用于x轴方向的驱动，驱动过程

中的驱动力则通过轴承转向、同步带轮两种方式予以施加，这种设计方式也会提

升传动效率；其次，设计打印机的z轴运动模式，其与上文中的x轴与y轴方向

的设计理念基本一致，仍采用往复式的直线运动和带传动模式，主动轮和从动轮

一一对应；最后，为确保整体传动环节的高效率，避免打滑。

3.4电控和软件

电控部分主要由Mega2560、J-head加热喷头、热敏电阻、Ramp1.4、A4988、

MK2PCB热床、限位开关等部件组成。桌面式3D打印机的优势体现在其简单易用，

开源社区里发布了很多优秀的3D打印控制软件，其中有Cura和Printrun。Cura

的界面优点在于图形化界面，简单易用。Printrun的界面，优点在于可以控制多

种3D打印机，功能选项较多。并联式3D打印机由于其结构的特殊性，它的打印

起始点与普通打印机不同，另外它的打印范围是一个圆，有别于普通打印的正方

形，因此选择了设置参数比较多的Printrun。

结束语

在本次的研究工作中，针对当前3D打印机工作范围不断拓展的发展趋势，

基于FDM工艺，对3D打印机的机械结构设计进行了研究，对于机械结构中的关

键节点的设计进行了相应的优化。预计，本次设计的3D打印机将在功能和精度

等方面得到进一步提升。当然，目前的分析尚停留在理论阶段，其具体应用效果

仍需要进一步检验。

参考文献

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