利用開源3D打印技術制作提拉機

◆沈雙娟 鄭勇平

（福建師范大學物理與能源學院 福建 350007）

1 引言

開源，是開放源代碼（Open source code）的簡稱。開放源代碼軟件能被自主修改、自由復制，從而衍生出更多的新功能軟件[1-3]。開源3D打印技術就是基于開源之上的一種3D打印技術，即通過互聯網搜索開放源代碼，尋找合適的參數化模型，在此基礎上對模型進行修復和完善，從而大大降低了3D打印的復雜程度，使3D打印機這個高科技產品步入人們的日常視野。3D打印技術，又稱增材制造技術[4]， 是一種以三維數字形式立體構造物理對象的一種快速成型技術[5]，它利用計算機將成形零件的 3D模型切成一系列一定厚度的“薄片”，之后3D打印設備自下而上地制造出每一層“薄片”，最后疊加成形出三維的實體零件[6]，其與傳統制造技術相比，3D打印技術在時間和成本上都具有明顯的優勢，且制作出來的模型更加精細。

提拉鍍膜法是一種廣泛應用于薄膜制備的方法，采用提拉機在硅片或者圓柱形基片上鍍上均勻的薄膜。提拉鍍膜法相比于傳統的直接手工用鑷子夾玻片浸入液面相比，不管是被夾玻片的穩定性、上下提拉的均勻性、對浸入時間的精準把控等方面都有極大優勢，同時提拉鍍膜法也大大節省了實驗操作人員的時間和勞動強度。最早的提拉機是由在國際上 SOL-GEI技術領先的CHEMAT TECHNOLOGY， INC設計完成。其主要關鍵元器件由美國進口，整機裝配由上海CHEMAT安裝調試完成，其成本價格較高，使得提拉機無法普遍應用于日常的本科實驗教學中。本文采用開源3D打印技術，用相對低廉的3D打印材料制作出了提拉機，實現將玻片浸入液體、懸停鍍膜、提拉成型的功能，并能較好控制上升與下降的速度、調節其懸停時間等。

2 實驗過程

首先，通過互聯網開源3D打印社區我們找到了相對合適的提拉機制動器模型，再利用CAD軟件對其進行修改及渲染，獲得提拉機零件的3D數字模型，并用Materialise Magics軟件對模型進行調試分析，針對3D打印過程中可能出現的各種問題，不斷進行修復和完善。其次，是選擇合適的3D打印材料，通過綜合比較，我們選用了FDM工藝材料中的PLA（聚乳酸）熔絲線材作為3D打印材料。PLA是一種新型的生物降解材料，使用可再生的植物資源（如玉米）所提出的淀粉原料制成。該材料顏色豐富、價格低廉便于多次實驗，打印出的零件機械性好，具有良好延展度及抗拉強度，可以完美的適用于實驗[7]。最后，通過FDM 3D打印機打印出零件模型并進行組裝，對其配置28BYJ-48步進電機作為驅動，這種電機的優勢在于價格低、耗電低、個體小、扭矩大、轉動穩定、用很小的電壓就可以驅動很大的零件轉動，缺點是轉速低，但恰好適用于提拉機需要穩定的要求[8]。如此便完成了提拉機的硬件制作，如圖1所示。

圖1 提拉機硬件部分

電路部分，主要為一臺28BYJ-48步進電機及其驅動芯片板ULN2003，用來帶動提拉機傳動機構，用Arduino及其 UNO板作為步進電機的數控部分，最終得到一套完整的提拉機裝置，如圖2所示。

圖2 提拉機系統完整實物圖

圖3 給出了不同轉速對提拉機運轉周期的影響，由圖中可以看出，不同轉速下，提拉機運轉一周期的離散度不同，轉速越慢，離散程度越低，圖像的波動就越小，系統就越穩定，反之亦然。因此這種28BYJ-48步進電機與本次實驗制作的提拉機系統更適合在低速下進行運轉。圖4給出了轉速與周期的關系曲線，由圖中可以看下，轉速與運轉周期近乎呈線性關系，隨著轉速增大，提拉機的運轉周期顯著變小，當到達28BYJ-48步進電機的最高轉速150步/min時，提拉機的運轉周期最短，但從圖3可以看出，轉速達150步/min時，提拉機的離散度較高。通過比較圖3和圖4，當轉速為100-120步/min時，提拉機的離散度和運轉周期將達到一個較為理想的平衡狀態。

圖3 不同轉速對提拉機運轉周期的影響

圖4 轉速與周期的關系曲線

3 結論

采用PLA（聚乳酸）熔絲線材作為3D打印材料，打印出的提拉機零件，并聯合應用 28BYJ-48步進電機及其驅動芯片板ULN2003，用 Arduino及其 UNO板作為步進電機的數控部分，如此制得的提拉機系統， 能較好實現提拉機的基本功能，如提拉、懸停、改變懸停時間、改變運行時間等等。研究結果表明，當提拉機轉速為100-120步/min時，提拉機的離散度和運轉周期將達到一個較為理想的平衡狀態。該提拉機實驗成本相對低廉，且維修方面也具有極大優勢，零件的更換都可以通過3D打印進行。如此制作出來的提拉機最大的缺點是轉速不夠快，如何選用一款更精準、轉速更快、更適合提拉機運作的電機，以得到一套精準更高、效率更好、功能更完善、使用更持久的提拉機系統，將是我們后續研究的重點方向。