智能雙色3D打印機設計

張潤五，郭鶴

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智能雙色3D打印機設計

張潤五，郭鶴

（鄭州科技學院 機械工程學院，河南 鄭州 450064）

3D打印技術是當前先進制造業中較為成熟的增材制造技術，能夠有效彌補傳統制造業中加工手段效率低、高能耗、重污染及人力成本高的缺點。現代機械加工行業應當積極引進3D打印技術，充分發揮該技術高精度、高質量等優勢，再基于市面上各種三維成型軟件，建立復雜結構機械零件的數學模型，完成對機械零件的制作加工。旨在設計一款高效率、低成本的桌面級智能雙色3D打印機。

3D打印；雙混漸變色；笛卡爾坐標系；增材制造技術

1 概述

相比于傳統機械制造行業車、銑、鉗、焊、鑄造等諸多傳統加工工藝，先進制造中諸多先進加工工藝具有高效、節能、環保、高精度等諸多優勢。3D打印技術屬于先進制造行業中的快速成型技術，是以計算機建立數字模型，運用工程塑料或金屬粉末材料，通過分層打印的方式來構造物體的一種增材制造技術。

2 雙色3D打印機原理及結構

2.1 3D打印機原理

3D打印有多種方法，然而，應用最為廣泛、成熟的是熔融沉積成型技術。該技術將熱熔性材料通過特定的加熱棒加熱融化，通過喉管將材料擠出成0.1～0.4 mm的細絲，之后根據模型設定的G代碼形成特定的行程軌跡，堆積細絲于熱床之上，線動成面，形成特定形狀的層面，同理完成第二個層面，通過層層堆積，面動成體形成所設定的3D模型。

2.2 3D打印機基本結構

2.2.1 型材機架

通過型材堆積來搭建3D打印機機架有許多優勢：①價格低廉。在沒有工業大批量生產的情況下，如果采用鑄造或鈑金作為機架，價格往往是型材組裝的數倍。②容錯性高。鑄造或鈑金機架在被加工出來之后由于其自身特性，當發生裝配干涉等錯誤時，難以修改自身結構，型材由于自身特性易于修改自身結構，規避裝配干涉。

2.2.2 主控電氣柜

當步進電機驅動模塊的電流使用率高于70%時，其發熱量與振動將會急劇上升，由此會降低打印機架的使用壽命。這一現象在小型3D打印機上尚不明顯，但基于大型3D打印機使用86步進電機外接大功率步進電機驅動需求，大型機的散熱量與振動會成幾何關系上升，此時，就需要設計單獨的電氣柜來避免精度降低。

2.2.3 模型成型平臺

有一塊400 mm×400 mm的鋁板熱床用以承載打印工件，可以沿軸上下移動，上覆同等大小的晶格板。晶格板是一種玻璃和復合材料覆蓋的結合體，表面復合涂層加熱情況下會體現出很強的黏性，當平臺加熱時，微孔膨脹，打印耗材會滲入微孔，耗材粘連于平臺之上，而當溫度降低至常溫時，晶格板失去黏性，耗材可以被輕易取下。

2.2.4 傳動機構

采用基于迪卡爾坐標系設計的新型同步帶傳動的機械運動結構，該結構具有更高的穩定性，運動更加敏捷，提高了打印效率，降低了機械故障的發生概率。

3 3D打印機硬件分析

3.1 打印機傳動結構

3.1.1 打印機傳動結構分析

該打印機的原理是通過2個電機同時控制的移動，當左右2個電機同向的時候，往軸移動，2個電機反向的時候往軸移動。2個電機的同時作用比單個電機控制一軸穩定，同時，能夠減少1個電機，節約成本、簡化結構。原理圖如圖1所示。

圖1 CoreXY原理圖

3.1.2 傳動方式計算及校核

該3D打印機軸選取為1605絲桿傳動，基于笛卡爾坐標系的傳動則采用直線導軌與同步帶傳動。需要計算傳動所需扭矩來選型步進電機以及步進電機驅動。

3.1.2.1軸絲杠傳動所需扭矩

軸扭矩：

式（1）中：為驅動扭矩，kgf·mm；為軸向負載，；為絲杠導程，mm；為進給絲杠的正效率。

=+g，其中，為絲杠的軸向切削力，N；為導向件的綜合摩擦系數；為移動物體質量（工作臺+工件），kg；g為9.8.經測量得知軸承重4 kg，選用1605絲杠，因此=5，滾珠絲杠的通常為0.001～0.003，在此取極端情況0.01，絲杠正效率取0.94.

3.1.2.2同步帶傳動所需扭矩

直線導軌摩擦力計算公式為：

=×（+）+. （2）

式（2）中：為摩擦力，N；為摩擦力系數；為運動垂直方向負荷，N；為刮油片阻力，N。

直線導軌效率約為0.01，經測量得知導軌滑塊所需承重為1 kg。選取的步進電機扭矩為1 N·m，因為同步帶自身效率及外部支撐所帶來的摩擦力，因此取同步輪傳遞效率最低為0.90.

滑塊滑動所需力為：f=×（+）+≈5.2 N，拉=/×4≈10.94 N，拉＞f.

因此，電機扭矩滿足傳動要求。

3.2 步進電機驅動選型

該打印機使用的是2A、1 N·m的42步進電機，而該3D打印機使用5個步進電機驅動，其中2個步進電機用于軸傳動，1個步進電機用于軸傳動，2個步進電機用于擠出機。其中，用于軸傳動的步進電機因為要保證電機2 A電流，而當步進電機驅動電流使用率高于70%時，發熱量與顫動急劇上升，因此，選取額定電流4 A的TB6600步進電機驅動器。用于軸傳動的步進電機因為有2個電機共用1個驅動，需要工作電流4 A，因此，選取額定電流為5 A的ATK-2MD4850 步進電機驅動器。

用于擠出機的步進電機因為并不需要過大的扭矩，因此，選用額定電流為2.5 A的DRV8825步進電機驅動。

4 3D打印機軟件分析

4.1 3D打印機樂積主控板

該3D打印機采用當前市面上較為成熟的樂積S主板，該主板支持雙頭擴張模塊，采用 STM32F4微處理器，是能夠滿足3D打印的一款高性能一體主控板，不需要更多的外接模塊。該主控板可采用A4988、DRV8825或其他（可單獨外接大功率步進電機驅動模塊），驅動接口為4路16細分，支持由三維模型而計算出的G-code代碼進行3D打印。該主控板支持雙混色、電腦聯機、WiFi控制、打印暫停保存、斷電開機續打等功能。

4.2 STL模型文件

STL文件是在計算機圖形應用系統中以三角網格來表現三維模型的一種文件格式，STL是最多快速原型系統所應用的標準文件類型，能夠精確描述三維模型的幾何信息，并不支持顏色材質等信息，是3D打印機支持的最常見文件格式。1個STL文件使用三角面來近似地模擬出三維模型的表面，經過有限元組合成特定的三維模型，當三角面越小，其分辨率越高。

4.3 雙混色原理分析

該3D打印機采用E3D Cyclops型雙色混合噴頭，該噴頭的混合腔較小，能夠混合大部分流入混合腔的PLA材料，而要形成較為完美的混色效果，需要配置打印文件，大部分STL打印文件配置與常規機器相同，只有少許配置不同?？蓪D出頭配置成1個，添加2進1出的插件，修改2種材料的出絲比例，旨在控制2種顏色的混合比例，從而實現2種材料的混色效果。

4.4 3D打印流程

將需要打印的三維模型轉化成為STL文件，使用Creatware上位機程序對STL文件進行切片處理，首先修改層高數、出絲寬度及填充率等基礎參數，再修改顏色的混合比例，實現顏色混合的目的，最后切片生成G代碼，輸入到3D打印機之中，完成打印過程。

5 結論

3D打印技術相比于傳統制造業是一項重大的技術革新，本文介紹的是一種基于笛卡爾坐標系能夠高精度低成本打印的桌面級3D打印機，更加適合對3D打印機的初步研究，能夠滿足一些對于結構強度較低的工件制造需求。

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2095－6835（2018）20－0138－02

TH122

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.20.138

〔編輯：張思楠〕