摘 要：3D打印（Three Dimensions Printing）是近20年来制造领域的一个重大成果，被认为是工业革命的前奏。 它可以自动、快速、精确地将设计思想转换为具有一定功能的原型或直接制造零件。利用3D打印技术可以为零件原型制作、原型测试、新设计思想实现等方面提供了一种高效低成本的实现手段。
本次科研项目，研究的是基于FDM（熔融沉积）技术的3D打印机，FDM（熔融沉积）技术在目前3D打印领域使用相对广泛，原理简易，对于学生科研项目比较适合，普适性更强。其应用于多个领域，比如，汽车零部件生产、飞机零部件生产、各类玩具厂商、各类模具甚至在医学领域也拥有很大的发展前景。课题意义非凡，对科研小组成员以及3D打印技术的校园推广有很大的帮助和影响，对创新设计思维、3D建模软件应用、个人动手能力、团队合作能力等都拥有极高的要求。
关键词：FDM（熔融沉积）;3D打印;3D建模与设计
1 项目研究的主要内容
1.基于FDM技术的3D打印机打印原理及打印机结构分析
2.研究了解主要3D打印机的主要零部件种类、各零部件与主控制板电压电流适配、电路测试过程
3.DIY 3D打印机的组装、调试、测试与运行
2 项目研究的目的与意义
本次科研项目是对3D打印机的深入探索与研究，渗透多个领域，是锻炼综合能力的有效方式，其中最重要的是三维计算机辅助设计，需要个人通过电脑辅助建模软件的应用，自主设计的打印所需零件。如今，三维计算机辅助设计技术是现代机械设计中的重要内容之一，3D打印技术可以在课堂上及时打印、展示学生利用三维计算 机辅助设计软件设计出的作品，有助于学生提高设计热情，也利于工程意识及创新能力的培养。项目进展过程中，所遇到的困难与难题，是对于学员一种考验，是突破常规思维模式，推陈出新的激发点，有利于锻炼学员个人动手能力与团队合作能力。
在科研项目进展过程中，学生与导师的技术交流，强化双方知识体系，同时吸引了很对对3D打印感兴趣的学生一起探讨学习，增长学识，增进友谊。
最终，产品制作与设计过程中，可能带来一定经济效益。比如，DIY 3D打印机本身可以试销售，打印机所打印模型可以网络销售，以及制作过程中的设计组件也可以进行销售。从科研教学到市场经济都拥有很大的意义。
3 项目研究方法與分析流程
本次科研项目是基于FDM技术的3D打印机设计与制作，因此首先需要了解的是3D打印领域中的前沿技术— FDM（熔融沉积）技术，研究其工作原理，其次需要了解FDM（熔融沉积）技术在应用于3D打印机的具体形式，熟悉掌握基于FDM（熔融沉积）技术的3D打印机的打印原理。
进行市场调研与考察：了解人们应用FDM（熔融沉积）技术的3D打印机的种类，并做优势与劣势分析，通过对比选择本地科研项目所要制作的3D打印机基本构架模型，并做详细的零件组成分析，以及部分现有相似零部件拆解、组装的学习。理论分析，将3D打印机分解成五大模块：框架结构、机械传动结构、喷头组件、加热板组件、以及相关链接组件。
数据采集：确定本次项目所要制作的3D打印机结构为龙门结构。后，首先，需要进行主控制板的选择，根据所需要的功能及打印精度，确定主板主要参数并记录在册。
本次科研小组经过，缜密的考虑，根据本次实验需求决定使用赤兔主板。
赤兔主板：
主板是3D打印机的核心是3D打印机的大脑。主板由CPU，输入输出接口，存储器等等组成的。赤兔主板的特色模块比较丰富，有双喷头，多喷头，wifi，断点续大，大电机，大功率加热板等等模块，本次我们增加双喷头木块，通过调整主板内置参数使喷头接口作为双Z轴，做成传统的：“龙门”结构，此结构比较稳定。主板的各个参数比较关键，对于步进电机，加热板，喷头都要适配，不同的加电方式有不同的工作状态，不同的状态功能差异特别大。通过调试XYZZ的自动归位， 我们需要调整步进电机的最大行程和速度，还有主板功能键的调和，达到自动归为的功能。每一个模块功能都很丰富，比如wifi模块，通过wifi可以直接传输文件，不用一直拔插多次，这样不仅方便而且延长了机器的寿命。
其次，根据现有打印机的型号，测量各用电零件与主控制板之间的电流、电压及电阻，选择所需数据并记录在册。
数据筛选与3D打印机零件购买：通过各零部件相关数据的采集、统计、考量，筛选有用数据，按照参数购买必要部件，比如：电机、主控制板、加热板、喷头、光杆、框架型材等。
零件组装与连接件设计优化：将基本零部件购买之后，进行组装会发现，部分零件不符合实际需求，所以需要学员通过三维计算机辅助软件进行自主画图设计、打印，然后安装优化。这是最重要也是最难的环节之一。
DIY打印机调试：
①传动机构调试，传动机构主要包括X、Y、Z轴的电机丝杠平衡度并调试，并且需要设计连接件使之能够与光杆链接，保证连接体可以平稳顺畅的运行。
②喷头调试，为了使喷头能够与Y轴固定，需要自主设计一个打印件，将喷头与光杆连接，并且保证喷头可以平稳的在Y轴上运行。
③加热平台调试，加热平台需要与X轴的传动轴连接，保证水平度和与两条Z轴的平衡度，可以实现平稳顺畅地随电机运行而前后移动。
④整体平衡度、位置调试
（需用建模软件自行设计连接件）
DIY打印机测试：
①X、Y、Z轴的运行情况，是否顺畅、稳定，
②单轴、双轴、三轴运动是结构稳定情况
③平台平顺性观察
④使用三维建模软件画简单模型，切片、导入打印机，上机打印测试喷头、平台、机械传动整体配合情况
⑤制定优化方案
DIY打印机运行：首先三维立体建模使用solideworks或者CATIA进行建模，将模型切片之后导入3D打印机进行打印运行，观察整体运行情况，针对相关问题进行优化调整。
4 项目研究结论与成果
首先，拥有一台可以将用于教学、展示的、可以将思维具体化、模型化的简易实用廉价的3D打印机！
其次，更重要培养了对于3D打印机深入研究的，在本次研究中的创新创意层出不穷。例如：
1.结构创新，针对稳定性差进行改进，采用40毫米口径立方体铝合金搭建。
2.传动机构创新，采用丝杠、电机一体化，减少Z轴不平衡的可能性
3.零件优化，连接件自主设计打印，突破了常规零件机械性组装的一些痛点。
4.打印机的成本得到优化，DIY3D打印机得到实现，在校园中3D打印技术得到深入推广，科研氛围得到很高的培养。
5 未来项目研究的推广
1.通过DIY 3D打印机制作，更好的向学校更多的专业推广，讓更多学生学习到什么是3D打印技术、3D打印技术的优越性以及3D打印机的基本结构与组成。
2.DIY的3D打印机被我院实验室用于教学和科研展示，未来通过不断完善优化之后，学生、老师可以将自己所设计的模型，通过3D打印机立即打印出来，无需复杂的开模与机械制造过程，就可以实现模型验证科学假设。
3.通过DIY打印机打印出来的3D样品可以用于宣传展示、市场调查、试销售。产品制作过程中产生的打印组件、甚至打印机整体各零件可以进行模块化，进入市场销售，目前市场价来看，DIY打印组件一套120元、DIY打印机2000元以上，远远低于制作成本，前景可观！
参考文献：
[1]王雪莹.3D打印技术与产业的发展 及前景分析[J].中国高新技术企业，2012（26）.
[2]郭劲秋.3D打印走进学校专业教育[EB/OL].[2013-03-17].
[3]罗军.3D打印技术现状及发展趋势[EB/OL].[2013-03-09].
[4]中国机械工程学会.3D打印打印未来[M].北京：中国科学技术出版社，2013.
[5]胡迪·利普森，梅尔芭·库曼.3D打印： 从想象到现实[M].北京：中信出版社，2013.
[6]“打”出天下，“造”化万物——改变世 界的3D打印技术[J].发明与创新，2011（11）.
[7]吴娇.基于FMD的3D打印技术在教学中的应用[M].科技创业月刊.