目前研制推出的CKO-101打印机是团队最新技术升级后的一款3D打印机。该机器属于熔融沉积型（Fused Deposition Modeling, FDM）的桌面级3D打印机，真空机其最大成型尺寸可达220mm*200mm*210mm。整机架构采用AA级椴木板经激光精密切割成型，外观精美、环保；控制界面采用2.8寸彩色触摸屏，支持中英文双语切换，使用更加方便、简洁；一键式电源启动，操作快捷、简单。同时，CKO-101打印机支持SD卡文件夹功能及中文文件命名功能；系统支持手动断点续打功能；软件支持工作平台的自动调平功能，可加热平台保证了对较大热收缩率材料的兼容性。重点创新之处在于针对现有桌面级3D打印机出丝稳定性不够的问题，自主研发了送料机构和打印头，且正常打印速度可达200mm/s，远高于市场同类机型。
成果内容提要：
一、国内3D打印技术研究现状与应用前景
我国从20世纪90年代起研发3D打印技术，目前，清华大学、北京航空航天大学、西安交通大学等研究机构与企业已经在3D打印设备和材料领域取得一定研究成果。2012年10月，中国3D打印技术产业联盟成立，2013年，中国3D打印技术产业创新中心（南京、潍坊、珠海）相继成立。 2013年，3D打印入选国家863计划，国家提供4000万元作为研究基金来支持3D打印核心技术的发展，北京投入了15亿元支持3D打印技术。
2015年2月，业内认为，中国3D打印行业迎来了产业发展的春天——工信部、发改委及财政部联合发布了《国家增材制造产业发展推进计划（2015~2016年）》，首次将增材制造（即3D打印）产业发展上升到国家战略层面，对3D产业的发展做出了整体计划。其中也对我国3D打印的现状进行了客观评价：我国增材制造产业化仍处于起步阶段，与先进国家相比存在较大差距，尚未形成完整的产业体系，离实现大规模产业化、工程化应用还有一定距离。
当前，在加快转变经济发展方式的新常态下，政府提出了“中国制造2025”发展战略，努力实现由“制造大国”向“制造强国”的转变。这正是3D打印给包括材料供应、智能制造在内的相关行业带来的重大机遇。业内人士认为，“十三五”期间，3D打印将深刻影响制造企业的生产方式，引领制造业从标准化和精益化生产步入定制化生产。
二、3D打印机系统特点
1) 采用先进稳定的机械运动系统
X/Y平面采用先进的H机构传动系统，H机构又称差速控制机构，其特点是定位精度高，传动速度快。H机构传动原理图如图1所示，经过精心设计之后，H机构传动系统不仅可以保证系统高速运动状态下的稳定性，而且极大程度的减小了打印机外形尺寸，提高了机器内部的空间利用率。
3D打印机外壳支撑框架的质量是决定模型打印好坏的关键因素，其必须满足一定的垂直度、对称性以及公差要求。考虑到这些加工条件以及产品的美观便携性和成本，框架采用木质奥松板或多层板通过激光加工成型，这样既能保证后序装配的公差要求，也能满足其使用要求。本作品采用6mm厚奥松板加工，要求板面整洁平整，最好可以使用带铝箔层的木板。激光加工精度控制在0.02mm范围内，切割时注意控制激光功率，避免功率过大出现烧灼的痕迹。
三维传动机构中的X、Y轴的移动采用42步进电机带传动方式，Z轴的移动采用螺杆螺母传动，各个轴均采用直线导轨作为导向机构。这两种运动传递方式都能在满足传递精度的需求上尽可能的保证传递的稳定性。具体设计传递精度参数见下表：
方向 X轴 Y轴 Z轴 最小位移(mm) 0.01 0.01 0.005
表1 三维传动机构的设计传递精度参数
2) 采用自主研发的进丝与出丝机构
送料系统主要包括进丝挤出机与出丝打印头部分。
送料系统为桌面级熔积型3D打印机的主要核心部分，提供进料、熔料、出料等功能，此外由于其结构的分离性，设计还需要保证挤出机与打印头的远程传输的配合问题，送料系统工作原理如下图2所示。
挤出机装置主要由挤出轮、导轮、弹簧、快速接头等部分共同组成。挤出机结构图如图3所示，挤出机作为送料系统的进丝机构，提供进料功能以及喷头挤出融化后材料的压力，送丝过程要求稳定可靠，以保证喷头内有一定的压力并且出丝速度与喷头移动速度匹配。
挤出机的主要特点是提供打印头出丝的均匀压力、换料方便。
打印头作为送料系统的出丝机构，其出丝以及运动的稳定性对于打印作品的成型质量有着决定性的影响，因此我们对打印头进行了细致的优化设计，极大程度上减少打印头的质量以及尺寸，同时通过对散热片以及散热系统的优化设计，保证其出丝稳定可靠性，打印头结构如图4所示。
打印喷头使用标准的M8螺纹连接、0.1-0.4mm喷出口的规格产品。
3) 提供人性化操作界面以及稳定的控制系统
此款3D打印机其硬件电路系统主要包括以下模块：主控模块(AVR单片机)、SD卡数据读取模块、步进电机驱动模块、挤出头以及加热板温度控制模块、LCD液晶显示以及按键控制模块等部分组成。
打印机的主控系统是基于Arduino开源产品中的Mega2560开发的，Mega2560以AVR单片机ATmega2560为控制核心，其本身具有54组数字I/O端口(其中14组可做PWM输出)，16组模拟比输入端，4组UART(hardware serial ports)，使用16 MHz晶振。
步进电机驱动模块采用A4988步进电机控制模块驱动。A4988步进电机驱动模块电路图如图5所示。A4988是一款完全的微步电动机驱动器，带有内置转换器，易于操作。该产品可在全、半、1/4、1/8及1/16步进模式时操作双极步进电动机，输出驱动性能可达35 V及±2A。
SD卡模块的设计是为了便于实现脱机打印，即只需将需要打印的文件下载进入SD卡后，便可以通过打印机控制系统的操作实现打印操作，避免了为打印机单独配备电脑麻烦。LCD显示以及按键控制模块电路图如图6所示，显示器采用LCD2004液晶显示模块，数据控制方式采用4位总线控制模式。按键采用ALPS编码器EC11E15244B2，可以快捷方便地对打印机进行可视化控制。
挤出头以及加热板温控电路均采用100K的负温度系数热敏电阻来实现，可以实现0-300℃的温度检测，精度为±1摄氏度，温度采集模块电路图如图7所示。
系统采用DC+24V单电源供电，需要的电源供电功率为160W。
此外还包括运动限位开关、风扇冷却系统等其他外围电路。
打印机整体图如图8所示：
社会反映：
目前我们生产的3D打印机广泛应用于实验室的实验过程中，同时也被一些研究院所以及公司使用或为其提供打印服务。同西北工业大学合作推出3D打印夏令营培训课程，同时与西安一些教育机构合作推出3D打印体验课程。
