3D打印实验报告

研究生（光电技术实验）课程报告题目：3D打印机装调实验

学号M201672189

姓名骆小俊

专业软件工程

课程指导教师王英周海杨春华

院（系、所）光学与电子信息学院

2016年12月30日

一、实验目的

1.了解3D打印机的基本原理

2.了解3D打印机的基本结构和组装过程

3.能够根据指导组装3D打印机

4.掌握3D打印机的调试方法

5.学习使用打印软件并连接打印机完成样品试制

二、实验仪器

泰锐3D打印机（零件包），PLA线

三、实验内容

3.1 常见3D打印机的种类和工作原理

3D打印（3D printing）也称为“增材制造（Additive Manufacturing）”，它是新兴的一种快速成型技术。与传统的减材制造工艺不同，3D打印是以数据设计文件为基础，将材料逐层沉积或黏合以构造成三维物体的技术。最常见的3D 打印技术有FDM、SLA、SLS和3DP几种。

（1）FDM全称Fused Deposition Modelling（熔融沉积造型）。打印头加热，把条形塑料加热软化，按照电脑3D模型作“一笔画”。这也是本次实验所用的3D打印机工作原理。通过控制系统控制步进电机的转动进而控制“画笔”的移动，将三维物体逐层打印最终形成立体三维的作品。

3.1.1 FDM原理图

整机组装完成后如下图所示：

3.1.2 整机图

（2）SLA全称Stereolithography（立体印刷术）。它用激光选择性地让需要成型的液态光敏树脂发生聚合反应变硬，从而造型。SLA有两大类，一种是Objet

为代表的，从下到上打印的。另一种是Formlabs为代表的，从上往下打印的。

3.1.3 SLA原理图

（3）SLS全称Selective Laser Sintering（选择性激光烧结）。和SLA类似，SLS使用激光。和SLA不同的是，SLS用的不是液态的光敏树脂，而是粉末。激光的能量让粉末产生高温和相邻的粉末发生烧结反应连接在一起。

3.1.4 SLS原理图

（4）3DP全称Three Dimensional Printing（三维打印）。这才是真正的3D打印！因为这种技术和平面打印非常相似，连打印头都是直接用平面打印机的。和SLS类似，这个技术的原料也是粉末状的。典型的3DP打印机有两个箱体。如上图所示，左边为储粉缸，右边为成型缸。打印时，左边会上升一层（一般为0.1mm），右边会下降一层，滚粉辊把粉末从储粉缸带到成型缸，铺上厚度为

0.1mm的粉末。打印机头根据电脑数据把液体打印到粉末上。（平面打印机的Y 轴是纸在动，而3DP的Y轴是打印头在动）液体要么是粘合剂要么是水（用于激活粉末中粉状粘合剂）。

3.1.5 3DP原理图

3.2泰锐3D 打印机组成结构和各部分的作用

3D打印机的主要组成结构分为以下几个部分，每部分作用如下：

（1）加热挤出头

加热挤出头由步进电机，加热棒，温度传感器组成。其中，步进电机转动带动PLA线实现加料，加热棒负责给PLS材料加热使其融化为均匀的液体从尖端流出形成打印，温度传感器负责检测加热头的温度动态调节加热棒的工作状态。

3.2.1 加热挤出头

（2）X,Y,Z轴向电机、导轨及载物平台

如下图所示，通过步进电机的转动控制载物平台在Y方向上移动，加热挤出头在X方向和Z方向上的移动，实现三维打印。

3.2.2 电机导轨和载物平台

（3）电源以及电路控制系统

电源的作用是将家用交流电经过转换后为电路控制系统，各步进电机、加热棒等各种器件提供对应电压源的。因输入为220V电源，故在安装过过程中应注意接线安全，确认接线无误后再接通电源即可以保证我们自身的安全也能保证点电路控制系统的安全。电路控制系统如下图所示，主要负责接收和解析电脑软件

生成的加工代码，控制相应的器件工作完成打印。

3.3打印材料

打印所使用的材料有PLA 与ABS 两种，其材料特性分别为:聚乳酸（PLA ）是一种新型的生物降解材料，使用可再生的植物资源（如玉米）所提出的淀粉原料制成。机械性能及物理性能良好。聚乳酸适用于吹塑、热塑等各种加工方法，加工方便，应用十分广泛。相容性与可降解性良好。聚乳酸在医药领域应用也非常广泛，如可生产一次性输液用具、免拆型手术缝合线等，低分子聚乳酸作药物缓释包装剂等。ABS 树脂是目前产量最大，应用最广泛的聚合物，它将PS ，SAN ，BS 的各种性能有机地统一起来，兼具韧，硬，刚相均衡的优良力学性能。ABS 是丙烯腈、丁二烯和苯乙烯的三元共聚物，A 代表丙烯腈，B 代表丁二烯，S 代表苯乙烯。ABS 塑料一般是不透明的，外观呈浅象牙色、无毒、无味，兼有韧、硬、刚的特性，燃烧缓慢，火焰呈黄色，有黑烟，燃烧后塑料软化、烧焦，发出特殊的肉桂气味，但无熔融滴落现象。

3.2.3 主控制板连线图

3.3.1 PLA线匝

打印ABS材料与打印PLA聚乳酸区別:

1.打印PLA時气味为棉花糖气味，不像ABS那样刺鼻子的不良气味

2.PLA可以在沒有加热床情况下打印大型零件模型而边角不会翘起。

3.PLA加工温度是200℃，ABS在220℃以上

4.PLA具有较低的收缩率，即使打印较大尺寸的模型时也表现良好

5.PLA具有较低的熔体强度，打印模型更容易塑形，表面光泽性优异，色彩艳丽

6.PLA是晶体，ABS是一种非晶体。当你加热ABS时，会慢慢转换凝胶液体，不经过状态改变。PLA像冰冻的水一样，直接从固体到液体。因为没有相变，ABS不吸喷嘴的热能。部分PLA，使喷嘴堵塞的风险更大。

本实验所选用的材料为PLA。

四、实验过程

4.1 3D 打印流程如下框图所示：

（1）由计算机采用3D 画图软件创建一个3D 图形，比如SolidWorks，Autodesk

Inventor 或者Pro/ENGINEER 等软件；

（2）3D 模型文件以STL 标准格式导出，其他可以的格式包括：WRL 格式，PL Y 格式，3DS 格式还有ZPR格式（这些导出来的文件是网格状的，面是一系列三角块拼接而成的，网格必须“填充”处理，才能够成为一个实心模型）；（3）根据需要调整要打印模型的大小和层厚度精度等；

（4）通过打印机编译软件(Slice3r)对STL 格式的文件进行分层，生成打印路径，转换为G 代码文件-打印机可识别的数控加工文件格式；

（5）准备好3D 打印机，包括材料、电源、支撑等，点击3D 打印。

4.2 文件格式转换

（1）STL 文件：描述3D 图像的文件，根据编辑软件的不同有许多不同格式，3D 打印机的通用图形文件格式是STL：Industry standard format for stereo-Lithography，STL 是用三角网格来表现3D 的CAD 模型，输出STL 文件的参数选择会影响打印质量情况，比如在CAD 软件中，当您输出STL 格式文件时，需要设定的参数名称，如弦高(chord height) 、误差(deviation) 、角度公差(angle tolerance)等；很多常用的3D 编辑软件都可以以STL 格式文件输出，比如：Autocad, Solidwork 等

（2）Slice3r 软件：G-code generator for 3D printers

Slic3r 是用于将3D 图形转换为打印机可执行指令的工具，它在Z方向将立体图分切成片状，产生填充的加工路径，并计算使用的材料。Slic3r 与最重要的几个3D 打印软件捆绑：Pronterface, Repetier-Host, ReplicatorG；并且被世界上最著名的3D 打印机生产商所支持。

4.3 打印过程

1、点击“载入”按钮，在弹出的对话框中选择需要打印的模型STL文件；

2、调整模型的位置和放缩比例后点击“开始生成代码Slic3r”后，软件会自动计算并生成加工代码；

3、点击“运行任务”按钮即可开始3D打印之旅，如下图所示：

4.3.1 模型载入

4、开始打印底层：

4.3.2 打印第一层

5、逐层打印：

4.3.3 打印第N层

6、打印完成，整个打印过程持续五小时：

4.3.4 打印完成

7、其它作品展示：

4.3.5 其它作品展示

五、问题分析

1、有没有可能用不同的结构实现与实验中装调的3d 打印机相同的功能？ 答：实现三维定点方式有很多，如下图所示还可以通过三个不同的Z 轴方向移动的电机来控制实现三维定点，该结构称为并联臂3D 打印机，优点是打印速度更快，缺点是Z 方向上打印高度受到限制：

2

、你认为实验装调的3d 打印机精度如何？在打印不同类型的表面（如水平面、

垂直面、曲面、与水平面夹角较大的斜面、近似水平面的斜面）精度如何？为什么会有不同表现？误差是那些环节中引入的、与那些因素有关？如何减少误差？ 答：3d 打印机精度不是很高，在打印的成品中明显可以看见很多粗细不均匀的部分；在水平面和垂直面的精度明显要高于倾斜面和曲面；误差在组装机器的过程中导轨不平行导致摩擦过大会引起误差，载物平台不水平会引起误差，挤出头距离载物平台距离太大也会引起误差，针对上述产生误差的原因我们可以通过尽量调节导轨平行，调节载物平台水平，调节挤出头和载物平台距离刚好为1张纸的厚度等措施来减少误差。

3、点击开始打印之后发现加热头不出料或者出料极慢？

答：加热头不出料的原因可能有以下几种：

5.1 3D 打印机

1）电机反转。电机反转会导致PLA材料像相反的方向运动，只需参考问题1的的方法改变对应电机的接线顺序即可；

2）加料电机的齿轮没有和轴承固定紧。若电机轴承和齿轮没有固定紧，则电机无法转动带动齿轮加料，此时需要拆下加料电机拧紧电机和齿

轮之间负责固定作用的螺丝，确定拧紧之后安装好即可；

3）加热头没有装好。加热头要用螺丝固定在加料器的铝块上，否则容易脱落，无法给PLA材料加热，导致无法出料；

六、实验总结

历经这次实验，我们可以看到3D打印在加工效率和精度上和传统的模具加工还有着巨大的差距。随着科技的进步3D打印的精度应该能够提高到可以媲美传统加工方式甚至超越传统的加工方式，但是很明显可以看出效率问题是受3D 打印的原理制约的，永远都无法和传统的模具加工相比，所以可以预见3D打印要完全取代传统的加工方式是不可能的事情。但是3D打印的优势是：一方面，能够加工一些一般模具无法加工的零件，所以能够填补一些高端领域复杂零件制造的一些空白，占领一定的市场；另一方面，在低端领域的小型家用3D打印机，价格便宜，功能强大能够满足很多家庭日常的需求，所以也能够占领一定的市场空间。通过这次有趣的3D打印实验，激发了我对3D打印的兴趣，让我能够主动地去了解3D打印的历史，和思考3D打印的未来。也让我了解了3D打印机的构造和使用方法，锻炼了我们的动手能力和解决各种故障的能力，最后还成功地打印了一堆的小礼物。最后感谢王英老师，周海老师，杨春华老师在整个实验过程中提供的支持和帮助，希望以后能够多一些这样有意义又有乐趣的实验。