FDM型3D打印機(jī)設(shè)計

胡健 邱鵬飛

摘要：快速成型（FDM）是一種使用熱塑性的塑膠材料將材料壓成半熔融形態(tài)的細(xì)長絲狀，然后將材料一層一層疊加從3 DCAD數(shù)據(jù)內(nèi)建立原型的技術(shù)。本文在介紹快速成型（FDM）打印機(jī)基本內(nèi)容的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)介紹了它的運(yùn)行機(jī)制和機(jī)器結(jié)構(gòu)，還對他的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的分析。自制的FDM 3D打印機(jī)遵循3D打印機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計思思路同時，設(shè)計人員可以在實(shí)踐中不斷修改和優(yōu)化設(shè)計方案，以滿足創(chuàng)新和創(chuàng)新的需要。

關(guān)鍵詞：3D打印機(jī)；FDM技術(shù)；快速成型

目前，以3D打印為技術(shù)核心的“第三次工業(yè)革命”在全世界興起了一股數(shù)字化制造業(yè)的熱潮，隨著中國等一批新興國家不斷向該領(lǐng)域進(jìn)軍，發(fā)達(dá)國家對3D打印技術(shù)的獨(dú)導(dǎo)地位正在不斷的減弱。本文主要介紹3D打印機(jī)的工作原理及性質(zhì)，進(jìn)而分析其結(jié)構(gòu)組成，側(cè)重研究分析機(jī)械部分三維打印端頭的結(jié)構(gòu)和影響打印端頭精度的因素。最后結(jié)合電機(jī)的運(yùn)動規(guī)律與機(jī)床的運(yùn)動機(jī)構(gòu)，設(shè)計出最完善的方案并制作成型。

1 FDM型3D打印機(jī)打印原理及結(jié)構(gòu)分析

1.1 打印原理及過程

原理：快速成型技術(shù)的基本原理是先用軟件畫出產(chǎn)品的三維CAD模型，以設(shè)定好基本參數(shù)，取合理的的厚度對模型進(jìn)行切片處理，即將3D模式轉(zhuǎn)化為一步步的指令，一層層執(zhí)行。機(jī)器加熱噴頭根據(jù)每一層的二維截面信息進(jìn)行移動，送絲機(jī)構(gòu)將絲材送往噴頭，在噴嘴部件旁，塑膠絲體被充分加熱到熔點(diǎn)并熔化，隨后從噴嘴中加壓成型，并將成型材料防止在工作臺表面，然后在工作臺上降溫固化。，形成模型的一層。打印結(jié)束后，工作臺面就會降低與該層厚度大小相同的高度。之后一直按照這個過程重復(fù)打印，直到整個實(shí)體模型完成打印為止。

過程：CAD三維建?！鶦AD模型的近似處理→切片處理→造型→后處理

1.2 結(jié)構(gòu)分析

框架設(shè)計分析：采用了鋁型材組裝了打印機(jī)的基本框架。通過三軸聯(lián)動平臺、步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動滑塊、傳動絲杠、導(dǎo)向光桿等部件組成基礎(chǔ)傳動系統(tǒng)，滿足打印機(jī)在X、Y、Z三個方向的運(yùn)動控制。

電路設(shè)計分析：3D打印機(jī)的電路部分非常重要，此電路控制機(jī)器的的整個運(yùn)行過程。路線主要由以下三個主要部分構(gòu)成：Arduinomega 2560主控制板、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動板和Ramps1.4膨脹板。可滿足機(jī)器大量IO接口的設(shè)計需求，并且能更好的使各部件進(jìn)行連接和控制。也增強(qiáng)了機(jī)器容錯率。

軟件設(shè)計分析：3D打印機(jī)包括上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件。打印機(jī)的主控板對各參數(shù)的設(shè)置及控制通過軟件的運(yùn)行實(shí)現(xiàn)。在本機(jī)器中主要選用：下位機(jī)軟件Marlin固件、上位機(jī)切片軟件Slic3r、上位機(jī)打印控制軟件Pronterface。以上軟件的組合使用，能夠是的機(jī)器在使用的過程中體現(xiàn)更好的性能與流暢度。

2 主要零部件選擇、電路測試

（1）電機(jī)的選擇：電機(jī)控制系統(tǒng)一共可分為2種電機(jī)。它們分別是伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)。本文設(shè)計的快速成型（FDM）打印機(jī)UI步進(jìn)電機(jī)配合更為合適。步進(jìn)電動機(jī)能滿足快速成型（FDM）3D打印機(jī)基本使用情況下都需求兩相四線的42步進(jìn)電機(jī)，在同相之間有電阻。步距角普遍在1.8°的需求。

（2）擠出頭的選擇：擠出頭一共分為2類，分別是單擠出頭和雙擠出頭。本臺機(jī)器由于不過度追求速度因此選擇單擠出頭更為合適，按照有差異的應(yīng)用環(huán)境以及實(shí)踐狀況本裝置選擇0.4mm的噴嘴。

（3） 送絲機(jī)構(gòu)的選擇：3D打印機(jī)送絲機(jī)構(gòu)能夠分為遠(yuǎn)端和近端兩種。本機(jī)構(gòu)需要一定的打印速度和精準(zhǔn)度故選擇了遠(yuǎn)端送絲結(jié)構(gòu)作為機(jī)器的送絲機(jī)構(gòu)。

（4）電路測試：測試準(zhǔn)備：安裝Arduino IDE→下載Slic3r→下載Printrun→下載Marlin固件

電路板的連接與電路測試：中斷USB線，把Ramps 1.4拓展板連到板上，Ramps上不是正面的那一面的插針都需要連接到主控板上。而后再把熱敏電阻接到板子的正確的位置。檢查線路都正確之后連接上USB數(shù)據(jù)線和12V電源。啟動Printurn上位機(jī)軟件。mega2560在接通電源的開始的時候，RAMPS板子上的第一個LED綠燈燈會閃動幾次。這就表明了mega2560板子里的固件已經(jīng)在運(yùn)轉(zhuǎn)。

啟動上位機(jī)之后，應(yīng)用正確的串口，調(diào)用波特率為250000，再點(diǎn)擊connect。若正常。圖形操作區(qū)變成高亮。溫度線旁邊的watch選項勾選。檢測溫度是否正確，若檢測的溫度與室溫相當(dāng)，表明連接正確。若為0，則體現(xiàn)連接失敗，要進(jìn)行檢查任務(wù)。完成上步后就是測試三個輸出端。分別在”Heat”和”Bed”旁點(diǎn)擊”set”按鈕，并在右下部位輸入M106 S255 來打開風(fēng)扇。若在這個時分RAMPS1.4上亮起了三個紅燈，這就表明輸出端測試順利完成。輸入M107可關(guān)閉風(fēng)扇。

步進(jìn)電機(jī)的檢測，第一步需要斷開機(jī)器的電壓源，然后把型號為A4988的驅(qū)動板與Ramps1.4向連接。在此檢測環(huán)節(jié)一定要有一個電機(jī)進(jìn)行檢測，通常情況下可使用萬用表的200歐姆測電阻對電動機(jī)兩端連接檢測。按次電機(jī)線紅、藍(lán)、綠、黃連接。完成連接之后，接通電源，利用Printurn上位機(jī)軟件使其轉(zhuǎn)動。若先將電機(jī)裝在X軸上，則按動X軸的+方向操作，這時電機(jī)會往正方向進(jìn)行轉(zhuǎn)動。若電機(jī)方向操作，電機(jī)則進(jìn)行反轉(zhuǎn)。在不同軸上重復(fù)上述的操作。

3 打印機(jī)的組裝及打印運(yùn)行

（1） 打印機(jī)的組裝包含：角件與電機(jī)安裝、鋼型材的安裝、電源與主板的安裝、擠出頭的安裝、熱床的安裝。

（2）打印機(jī)的測試白喊：三軸步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行測試、測試限位開關(guān)、測試擠出頭風(fēng)扇、測試擠出頭加熱、擠出頭入料測試。

參考文獻(xiàn)：

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[2]張永，周天瑞，徐春暉.熔融沉積快速成型工藝成型精度的影響因素及對策[J].南昌大學(xué)學(xué)報，2007，29（3）：252256.

基金項目：浙江省高等教育教學(xué)改革研究項目，項目編號：jg20160265

作者簡介：第一作者胡健（1991），男，漢族，浙江金華人，助教，工學(xué)學(xué)士，研究方向：機(jī)械工程；第二作者邱鵬飛（1986），男，漢族，江西撫州人，講師，工學(xué)碩士，研究方向：機(jī)電一體化。