五自由度FDM型三維打印裝置設計

曹晟，邵帥

（上海交通大學，上海 200240）

五自由度FDM型三維打印裝置設計

FDM 3D printing device with five degrees of freedom

曹晟，邵帥

（上海交通大學，上海 200240）

常見的FDM三維打印機不能打印中空結構模型。文中創新制出一種五自由度FDM打印機，通過增加兩個轉動運動軸，使成型面始終在有支撐的水平面上，這樣可以直接打印空間曲線懸梁臂彎管等以前無法實現的模型。此新型打印設備節約了成本，提高了加工效率。

五自由度；3D打印機；FDM；模型；坐標系；運動軸；平臺

編者按：2015年9月20日，首屆“薩馳杯”智能科技創新大賽決賽在蘇州大學敬賢堂成功舉辦。大賽由薩馳華辰機械（蘇州）有限公司主辦，中國石油和化工勘察設計協會橡膠塑料設計專業委員會、中國橡膠工業協會機械模具分會、《橡塑技術與裝備》雜志社、上海交通大學機械與動力工程學院、哈爾濱工業大學機電工程學院、東南大學機電工程學院、蘇州大學機電工程學院、青島科技大學、西門子工廠自動化工程有限公司及羅克韋爾自動化（中國）有限公司共同協辦。

為共同促進我國科技教育多元化，實現中國制造2025的中長期目標提供有力的支持，促進企業文化活躍橡塑行業科技文化事業發展。本刊將分期連續選登參賽作品，以供業內人士全方位、寬領域了解科技發展動態。

隨著科技的發展，3D打印這個概念，在近幾年突然變得十分火熱。在各大新聞網站搜索3D打印關鍵詞，有60多萬條相關新聞紀錄，而一些如“3D打印手槍”、“3D打印汽車”、“3D打印房屋”、“3D打印骨架”等概念，最近也頻繁出現在我們的視野中。這無疑傳達出這樣的信息——3D打印不僅僅在改變行業，更是在逐步改變我們的生活。

3D打印技術是快速原型（Rapid Prototyping，簡稱RP）技術的通俗叫法，人們從使用3D CAD的那天起就希望方便地將設計“轉化”為實物，因此也就有了發明3D打印機的必要。從歷史上來講，3D打印的思想，在20世紀末，已在美國萌芽。但當時受限于技術和材料，無法成型。

相對于傳統制造工藝，3D打印技術有兩個優點，一是節省原材料和人工。由于采用“增材制造技術”，它的用料只有原來的1/3到1/2，生產速度卻快4倍。同時因省卻生產線和一部分組裝過程，可降低人工成本。第二個優點是可以制作形態各異的物品。理論上，只要電腦可以設計出的造型，3D打印機都可以打印出來。

如今3D打印機已成為比較常見的一種制造方式，并發展出了FDM（Fused Deposition Modeling，熔融沉積造型）、3DP（Three Dimensional Printing，三維打印）、SLS（Selective Laser Sintering選擇性激光燒結）、SLA（Stereo lithography，立體印刷術）等技術，已趨于成熟。但是研制出低成本高性能的三維打印裝置，仍是業界不懈追求的目標。

在上述類型的3D打印機中，FDM型3D打印機，以其價格低廉、結構簡單、外形漂亮、環境友好等特性，在桌面級甚至工業級3D打印機中都占據了主流地位。下面，我們先從FDM型3D打印機的原理講起。

熔融沉積造型，即FDM（參見圖1），其原理主要是通過加熱熱塑性材料，使其融化后在重力作用下流在成型面上，再冷卻固化，形成堅硬的實體。打印的過程，首先將三維模型切片分層，然后逐層打印出每一層的零件，再通過層層疊加的方式獲得三維的實體模型。因為可塑性材料是依靠重力作用流下來，通過層層堆疊的方式構建三維實體，所以，每一層的成型面都必須有實體支撐。因此，對于一些懸空的實體結構，必須在其下部先打印出一些支架材料，起到支撐作用。這些支架材料的生成并沒有實際作用，而且去除這些支架材料也是后處理過程中的一個難點。最重要的是，一些模型因為中空的結構，根本無法用FDM型3D打印機加工出來。模型造型受到了大大的限制。

圖1 FDM型3D打印機工作原理

為了更好的說明這個限制難度，我們構建了兩個模型。圖2（a）模型1是一個中空的立方體，用于儲存固體顆粒或者液體；圖2（b）模型2是一個90°直角彎管，用于直角支撐或者走線。要想打出這樣的零件，機器都會像模型2所示的那樣，生成大量的灰色的支架材料。這些支架材料的產生，既帶來了后處理上的難度，也造成材料的浪費。

圖2 3D打印模型實例

那么，是否有辦法避免這些支架材料的產生呢？

在這個基礎上，筆者在裴景玉教授的指導下提出了“五自由度FMD型3D打印機”的概念，通過增加兩個轉動運動軸，轉動坐標系，使成型面始終在有支撐的水平面上。這樣，就可以避免支架材料的產生。

具體的原理，可以用這個空間曲線的懸臂梁彎管來舉例說明。任何3D打印機見到這樣的模型都會為之頭疼，而如果可以在正常打印完白色部分之后，旋轉底部平臺，在合適的位置再打印淺灰色的部分，最后再旋轉平臺，打印深灰色的部分。這樣不僅可以加工出這樣一個難度較高的零件，重要的是，全程沒有一點支架材料的產生。參見圖3。這種類型的零件，一直是FDM型3D打印機無法輕易加工出的零件。通過旋轉底部平臺，就可以很好的避免支架材料產生。參見圖4。

圖3 空間曲線懸臂梁彎管

圖4 五自由度3D打印機加工過程

圖5 A軸和C軸結構設計

為了實現這個功能，我們在原有傳統FDM型3D打印機的基礎上，保留其X軸和Y軸的傳動結構，利用舵機和步進電機為其增加A軸和C軸的轉動，實現了底部加熱平臺兩個自由度方向的旋轉。轉動時為了保證平臺的加熱和測溫，采用的是空心轉軸，中間布線。采用集電環實現轉動部件和靜止部件間電流的傳輸。為了保證轉動的穩定性，利用滾動軸承和止推軸承對轉軸進行軸向和徑向的定位。同時還改進了Z軸，利用四根絲杠使Z方向的托舉更加精準穩定。從而實現了五自由度的運動。參見圖5。

電路控制方面，我們采用Arduino MEGA 2560電路板和RAMPS 1.4端子板，自主編寫了五自由度運動控制程序及對噴頭和熱床溫度控制PID程序。為了方便調試和控制，我們利用labview軟件的VISA模塊與打印機進行串口連接通訊。從而搭建出人機交互界面，實現PID溫度控制和五自由度的運動控制過程的實時顯示。參見圖6。

圖6 人機交互界面

通過理論計算，上文提到的兩個模型都可以在不產生支架材料的情況下完美打印出來，針對模型一，其材料可以節約55.18%，加工時間節約45.61%；模型二，其材料節約37.85%，時間節約32.82%，大大節約了3D打印的成本，提高了加工效率。參見圖7。

圖7 最后的成品實物圖

綜上可見，我們的五自由度FDM型3D打印機不僅能夠適用于復雜的空間管道和中空內腔零件的打印，并且在打印過程中由于沒有支架材料的產生，節省了大量時間成本、材料成本、以及后處理過程中的人力成本。當前中國的制造業正走在崛起的道路上，先進制造、智能制造是我國制造業未來發展的趨勢所在，希望此次薩馳杯中優秀的參賽作品能夠為國家的先進制造進程獻力。

（R-01）

TP23

1009-797X（2015）23-0063-04

B

10.13520/j.cnki.rpte.2015.23.016

曹晟（1994-）男，就讀于上海交通大學機械與動力工程學院熱能與動力工程專業，大四學生，目前主要從事能源監測與管理方向的研究。

2015-10-28