科賽爾δ結構3D打印機

張欣， 王時雨， 李曉東， 林強， 周康

（長春工業大學工程訓練中心，長春 130012）

0 引言

3D打印技術可用于藝術品制造、航天航空、工業生產、快速成型、國防建設、醫學治療、文物保護等各個領域，使研發者或使用者方便快捷地得到所需三維立體實物模型。與傳統打印機相比較，并聯臂3D打印機具有穩定可靠、精準度高、成型速度快、維護簡單、節省材料等優點，通過自動控制進行加工，可直接打印出成品，突破空間局限性，適用范圍廣泛等優點。針對現有3D打印機各結構的功能不同，將其機械結構進行模塊劃分，并對核心部分進行仿真分析，改善其中的不足，從而設計出以熔絲沉積成型(FDM)技術為基礎技術的新型3D打印機[1]。

1 科賽爾δ3D打印機介紹

科賽爾δ3D打印機是一種三維打印機原型機，即RepRap（replicating rapid prototyper），科賽爾δ3D打印機與軟件部分均需要進行調平和運動參數調整。調平的方式包括兩種，一種是手動調平，另一種是自動調平，自動調平分為Z探針調平與FSR調平等方式；但是對于調整運動參數，目前還沒有明確的方法與步驟，調整運動參數的過程需耗費大量時間[2]。

2 科賽爾δ3D打印機工作原理分析

2.1 科賽爾δ3D打印機工作原理分析

科賽爾δ成型過程的本質是將材料進行加熱，使其成為熔融態,然后通過噴頭擠出，使工件層層粘連最終生成完整的產品。如圖1所示，科賽爾δ3D打印機的工作原理是將固態打印材料ABS絲材通過送絲機構送入加熱腔內，ABS絲材在加熱腔內加熱，達到熔融狀態，上方未熔融的固態絲材通過擠壓機作用，將熔化的絲材推出壓送到噴頭，從而實現工件的逐層堆積。在計算機的控制下，通過并聯臂帶動擠出機構，按照設計時規定的路徑，將熔融狀態的絲材逐層堆積、粘連在上一層成型部分的絲材上，循環往復，從而完成三維實體的打印。

圖1 打印機噴頭部分原理圖

2.2 打印頭的三維運動原理

科賽爾δ3D打印機數學原理是依據三維歐幾里得空間。此類3D打印動平臺的特點是：打印頭在每一物理層二維平面(XOY平面)上運動；打印頭的導軌在垂直方向上單向一維直線層級運動(Z軸)。如圖2所示，因各維度上的運動都是直線運動，所以運動函數可用以下方程[3]描述：

圖2 打印頭三維運動

其中：f為單位距離所需脈沖數；μ為電動機驅動細分；ρ為步進電動機步進角；n為轉動比因子。

打印頭移動到直角坐標系A點時，有以下幾何關系：

其中：h1、h2、h3分別為滑塊1、滑塊2、滑塊3離基床的垂直高度；r為圓盤基床半徑，坐標原點為基床圓心；L為連桿長度。

打印機的可利用空間有限，無效體積為

空間利用率為

其中：H為機架立軸長度。

3 科賽爾δ結構3D打印機的機械結構設計與分析

3.1 科賽爾δ3D打印機結構

科賽爾δ3D打印機裝置所包括的結構有：滑車，碳棒，加熱頭，電源及數據接口，顯示模塊，導軌滑塊機構和繞線輪。如圖3所示，具體結構為水平設置的中空三棱柱結構；垂直連接在三角形底架與頂架之間的3組豎直導軌（安裝在三角形頂架上的頂蓋與三角形底架上的打印托盤）；分別通過3組連桿對應連接能夠移動的3組滑輪機構的動平臺，3個滑車分別與3個導軌滑塊機構相連；2根碳棒中，一根左右對稱地與滑車鏈接在一起，另一根與加熱頭鏈接在一起；打印材料與加熱頭相連，形成一個完整的打印材料供給機構；繞線輪用于纏繞打印材料；打印托盤是通過定位塊固定在三角形底架上；控制板則安裝在打印機的下底面的隔層里，通過電源及數據接口與外界電源和數據源連接；顯示模塊設置在打印機三角形底座的外部，通過數據線與3D打印機的控制板相連；第一電動機、第二電動機和第三電動機通過皮帶與3個滑塊鏈接在一起，電動機通過皮帶帶動滑塊運動，以達到控制科賽爾δ運動的目的，進而控制3D打印機進行打印工作。

圖3 打印機結構

3.2 科賽爾δ結構分析

科賽爾δ3D打印機，包括滑車、碳棒、加熱頭、電源及數據接口、顯示模塊、導軌滑塊機構和繞線輪等結構；科賽爾δ是根據外副驅動設計的，使動平臺通過3個平行四邊形的連桿與定平臺相聯接，3組平行連桿相互之間成120°，均勻分布在動平臺與定平臺之間。每組連桿由一組移動副、轉動副和球面副構成，組成一個平行四邊形結構(利用平行四邊形易變形的性質)，在并聯連桿兩端分別使用球頭扣將動平臺和線性導軌上的滑塊鏈接在一起，通過滑塊跟隨傳送帶的運動來驅動并聯臂運動。分別使用第一電動機、第二電動機和第三電動機，3個電動機聯合控制，使得噴頭在水平方向與垂直方向移動，即噴頭在X、Y、Z方向上的位移量更加精準，再使用第四電動機控制打印材料ABS絲材的供給[4]。

科賽爾δ3D打印機數學原理是依據三維歐幾里得空間，將二維XOY平面上的直角坐標轉換為3個滑塊的相對高度，是通過主控板將切片后的3D模型文件轉化為G代碼和擠出機的步進電動機的正反轉和轉速，使噴頭較為精確地將原材料一層一層地噴涂堆積在工作輸出基板上，從而形成最終的實體模型。

3.3 步進電動機

步進電動機（如圖4所示）可將電脈沖信號轉變為線位移或角位移等數字量，并且是現代數字控制系統中起到主要執行作用的開環控制電動機。步進電動機是一種感應電動機，通過電子電路將直流電改變為多相時序控制電流，在多相時序控制電流分時供電的情況下正常工作，驅動器是多相時序控制器，為步進電動機提供分時供電。當控制系統輸出一個脈沖信號時，同時步進驅動器接收到一個脈沖信號，轉子所轉過的機械角度稱為步距角。步進電動機的旋轉是按照固定的步距角運動的。為使定位更加準確，可以通過控制脈沖信號的數量來控制角位移的變化；在調整速度時，可以通過調整脈沖信號發出的頻率從而控制步進電動機轉動的速度與加速度。此文中所述3D打印機所使用的步進電動機的型號為YH42BYGH47-401A[5]。

圖4 步進電動機

圖5 步進電動機主電路

4 科賽爾δ結構3D打印機的電路設計

4.1 3D打印機的電動機控制電路

步進電動機主電路（如圖5所示）具有驅動與邏輯控制兩大功能[6]。驅動電路采用28 V開關電源，電壓范圍為4.5～40 V，改變電動機端電壓可以改變步進電動機在高轉速下輸出的轉矩，具體驅動電壓的選擇要根據使用時的實際情況來確定。邏輯控制電路使用5 V開關電源，VDD為邏輯電源引腳，去耦電容和旁路電容的作用是減少噪聲干擾，通過設置M2、M1外接撥碼開關不同細分值，可抑制步進電動機在低頻工作時的振動與噪聲。最大電流計算公式為IOUT=0.5/RNF。

4.2 3D打印機的LCD液晶顯示屏

本文所述3D打印機所使用的LCD液晶顯示屏是TFTLCD液晶顯示屏[7]（SPI14PIN焊接，單片機驅動，TFT材質）。

TFT（Thin Film Transistor）即薄膜場效應晶體管，作為有源矩陣液晶顯示器。該屏占用13個引腳（其中顯示功能占用5個I/O口，使用flash或者SD卡時占用另外5個I/O口），可以直接插在LCD1602的位置（使用左對齊方式，LCD1602插槽右邊三個引腳不使用）使用，背光亮度可以調節LCD1602上調節對比度的電位器。使用5V或3.3V進行供電[8]。模塊上集成了3.3V穩壓芯片，供電電壓可以根據短接點不同供電方式不同的原理進行選擇。液晶顯示屏上所顯示的有噴頭溫度（攝氏度），打印速度（百分比），打印剩余時間，菜單（通過調節按鈕，在菜單中選擇“print from SD card”項,選擇要打印的.gcode文件，開始打印）。

4.3 3D打印機噴頭的溫度分析與控制

通常情況下，3D打印機的噴頭使用的是FDM噴頭。在進行3D打印時，供給的耗材會在FDM噴頭內隨溫度升高從固態熔化成為液態，這體現了3D打印噴頭的熱傳遞過程與階段，在加熱過程中FDM噴頭對溫度的控制也有所要求[9]。對于不同類型的打印噴頭，最佳溫度也不同，對于FDM噴頭，溫度一般控制在220℃左右，在此溫度范圍內使用壽命得以延長，也使得從FDM噴頭內流出的打印材料較為連貫[10]。

在3D打印實際操作中，PID算法的參數選擇對溫度控制的穩定性和快速性極為重要。PID控制器 (比例-積分-微分控制器)是由比例部分P、積分部分I和微分部分D構成，分別通過Kp、Ki和Kd三個參數設定[11]（如圖6所示）。

圖6 閉環控制PID控制器結構圖

5 科賽爾δ3D打印機軟件介紹

5.1 Catia軟件

制造廠商可以通過Catia建立其期望產品的模型，并且Catia軟件支持從項目前階段、具體的設計、分析、模擬、組裝到維護在內的全部工業設計流程[12]。

Catia所有的模塊存在著全相關性，可將三維模型的處理完全體現在二維模型的模擬分析與控制加工中。不僅如此，Catia還擁有先進的混合建模技術，在Catia的設計環境下，不管設計對象是曲面還是實體，均可以混合建模，做到了真正的相互交叉操作，而且可以提供變量驅動及后參數化能力，因此設計者無需考慮如何將設計目標參數化。并且Catia擁有自己的知識庫，企業可以將其多年的設計經驗存儲在Catia的知識庫中，用于對該企業新成員的培訓練習，或新產品的開發，從而加快新型產品向市場推進的速度。Catia在產品的整個生產周期中具有便捷的重復修改功能，甚至可以對原有方案進行更新換代[13]。

5.2 Pro/E軟件

Pro/E率先提出參數化設計概念，在目前的三維造型軟件領域中占有著重要地位，參數化是指將幾何模型分解成有限數量的組成特征，而每個組成特征都是由有限數量的參數進行約束的，從而完成參數化[14]。Pro/E是建立在一個單一的數據庫上，該數據庫中包括了此項工程中的全部資料，在整個設計過程中，任何一處發生改動，整個設計系統中的相關環節都會隨之進行改動，Pro/E是基于特征的實體模型化系統，通過采用單一數據庫，從而解決特征相關性問題。

6 科賽爾δ3D打印機操作流程

科賽爾δ3D打印機的操作流程是：先使用Catia軟件對所需要打印的產品進行模型建立，然后使用Pro/E軟件對建模后形成的三維模型運用微分原理進行切片，通過切片生成G代碼，并將G代碼存儲在SD卡中，將SD卡放置在機器預先設計好的卡槽中，以備隨時調用文件，打印前選擇SD卡中的相應的G代碼文件，并載入到機器內存中，然后選擇“開始打印”，操作者觀察打印過程，以備隨時進行調整，直至打印結束，產品生成[15]，如圖7所示。

圖7 科賽爾δ3D打印機操作流程

圖8 科賽爾δ3D打印機打印作品展示

7 結語

3D打印機最大的優勢在于材料的節省，不需因物體形狀特點而剔除邊角料，不再需要傳統的任何工具或模具，可直接根據設計出的3D模型文件的數據生成任何所需形狀的產品，從而提高材料的利用率；3D打印機可以直接自動地將計算機中的設計程序轉化為模型實物，并且能夠達到高精度和高復雜程度，甚至可直接打印出所需產品，簡化或省略組裝工序，從而有效地縮短產品研發與生產的時間，降低了組裝部分產生的成本。

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