未来智讯 > 3D打印论文 > 为教学而设计的简易3D打印机
    2009年第一台开放设计的RepRap 3D打印机面世后,世界各地都开始探讨3D打印将如何改变传统的设计及生产,以及如何引发更大的创意。而教学上应用3D打印,亦有利于学生发挥更大的创意。过去,学生可能有一些很好的设计创意,但碍于手工等技术问题,未能将想法转化为实物,不能评估成果,亦未能了解自己设计的优劣,减少了学生进步的空间。因此,世界各地都开始思考如何在教学上有效地应用3D打印,而部分先进国家如美国已经开始尝试在学校推广。中国香港亦有少部分学校开始引入3D打印。
    但是于教学上引入3D打印并不容易。一个主要原因在于打印速度缓慢。打印一件边长8cm的立方体,层厚0.25mm时,一般需要好几个小时。如果只利用1台3D打印机进行教学,明显地难以让所有学生同时使用。虽然老师可以安排学生轮流使用,但课程进度必然会被拖慢,降低学生的学习兴趣。而且,学生的设计无法尽快实现,也不利于学生进一步的研究及改善。
    当然,通过添置更多3D打印机,可以使更多学生有机会于课堂实时使用。但现有的3D打印机机身很大,因此难以在计算机室中添置更多3D打印机,让每个学生都能亲身使用,且一般3D打印机价值数千元至数万元不等,难以推广至日常教学。因此,若要于教学上引入3D打印,将其普及化,非常需要发明一台可以简易制作的低价3D打印机。
    制作目标
    为方便制作及推广,设计时考虑了以下各点,使老师及学生都易于自行制作及保养。
    由于香港不少中学都备有激光切割机,所以整个机身结构全部利用激光切割而成的胶片组成。
    尽可能选用标准五金零件、电路板、喷嘴及步进马达,以便于购买,而且价钱会比较便宜。
    尽量减少零件,而且须易于组装,目标是学生可以自行制作及保养。
    机身结构由Rep Rap的开放型设计,变为箱形设计。目的是避免学生意外接触发热喷嘴,使操作更安全。而且箱形设计易于收藏,打印时亦有利于保持打印温度,提高打印质量。
    单件制作成本低于HK$1500。
    面对难题
    为了在计算机室的有限空间里还能实现一人一机,机身尺寸必须尽量缩小;但又要充分利用机身内部空间,增加可打印体积,因此内部零件必须尽量使用更细小紧密的设计。有些主要零件,很难选用比较小的尺寸,如电路板、步进电机、喷嘴等,为此设计上花费了大量时间。
    市面的3D打印机一般会选用42系列步进电机(边长42mm),因为这种电机的驱动力矩比较大。但由于需要更紧凑的尺寸,因此本设计选用了28系列(边长28mm),然后在机械结构上,加入动滑轮设计,使步进电机的力矩倍增,加上轻量化设计,确保整个系统可以稳定运作。
    开发过程
    设计。本设计由一开始便利用计算机辅助设计软件进行,确保设计的精确度,并方便不断修改。基本设计分为4个主要部分:机身、打印平台、升降平台及打印喷嘴组件。
    制作。完成设计后,开始利用激光切割制作机身零件。机身材料使用3mm厚的亚克力胶片。每加工一件后都立即组装测试,以确定设计是否精确,见图1。
    测试。完成组装后,便开始连接电路,进行控制及机件运行测试。机件运行测试目的在于观察机件是否运行顺畅,特别是小力矩的步进电机是否可以推动各平台,以及动滑轮设计是否有效运作。另外,还要测试打印喷嘴(见图2),观察是否能顺利将胶料打印出来。
    打印。完成组装及运行测试后,确定一切运作正常,便开始打印测试。打印测试在于修改打印机各项软件参数,以得出更好及更稳定的打印质量。完成后的教学用3D打印机见图3。
    总结
    对比起市面现有的3D打印机,本发明特别之处在于机身细小,制作简易,价钱便宜。因此可以做到用于学校的计算机室,实现一人一机的教学,让学生享受3D打印带来的好处,发挥学生创意,特别适合在学界普及。学生制作的部分作品见图4。
    后续发展
    本发明样机已经稳定运作,现在正优化结构,尝试减少零件数目,从而进一步减少制作时间。同时,已经在学校制作了30台同款打印机,已于2014年4月后正式在课堂使用。今后,还会将整个设计公开,使其成为开放硬件,方便有兴趣的老师和学生自行制作,从而使更多学校和学生受惠,达到普及应用。
    另外,发明之后,曾多次在各个公开场合推广,希望可以更快普及,让更多学生和老师受惠。
    该项目获得第29届全国青少年科技创新大赛科技辅导员创新成果科教制作类一等奖。
    专家评语
    项目原理科学,概念清晰,构思巧妙,设计合理,作品教育性强。项目选题新颖,具有实质性创新,在通常的3D打印机的结构改进上有突破。作品效果显著,制作规范具有示范推广价值。希望项目能进一步提高打印精度。
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