FDM 型3D 打印機的設計與優化

沈 林 王圖南 周佳愷*

（正德職業技術學院機電工程系，江蘇 南京211106）

隨著更多材料制造技術的發展，使用熔融沉積成型技術的3D 打印機（“FDM”）由于其環境、成本低和相對成型速度，在各個領域廣泛使用。然而目前市場上的FDM型3D 打印機質量不一，普遍存在著精度不夠，材料擠出不穩定等問題。優化機械結構及控制系統是FDM型3D 打印機下一步的發展方向[1]。

本文設計了一種新型的桌面級的FDM型3D 打印機。打印機的機械結構單元使用組合的Y 軸和Z 軸獨立運動設計方案，以及使用Arduino 2560 作為打印機的軟件控制系統。該3D 打印機結構簡單、承重力強，控制性好、代碼開源等優點，在控制成本的情況下，有效地提高了打印精度，縮短打印時間。

1 打印原理

首先，使用計算機輔助設計軟件設計出需要打印的三維模型的尺寸及形狀；然后在切片軟件中載入該模型，調整模型與打印平臺的位置關系，設置模型切片厚度；最后由主控芯片將信息打印出。接收到控制信息后，3D 打印機的電機控制打印頭回到初始位置，熱床、擠出頭開始通電加熱；加熱完成后，擠出頭根據切片信息進行移動，并且打印材料加熱后熔化，由噴嘴中擠壓成型，打印出來逐漸形成模型的一層。打印過程如圖1 所示。

圖1 3D 打印機原理圖

2 結構設計

2.1 機械結構設計

本文設計的3D 打印機的框架采用XYZ 結構，噴嘴機構在X 軸上運動，工作平臺在Y 和Z 軸方向運動。在X、Y 和Z 方向使用步進電動機來執行運動控制，連接球螺釘以提供高分辨率驅動，并減少由于齒輪驅動而產生的形狀和位置誤差[2]。由X、Y、Z 軸三軸移動步進電機，噴頭，冷卻風扇，打印耗材等機構，由驅動控制板驅動電機運轉，通過同步帶、光軸、絲杠等機構相互配合，完成平移、升降以及打印動作其中，打印機支撐架構采用鋁型材料，用鋁制角件作為底板基座，從而保證打印機的結構穩定及良好的承載能力。擠出模塊主要由螺桿、料筒、料斗、模具等組成。成形材料通過擠出模塊融化，由螺桿頭連續擠出。

2.2 裝配精度優化

熔融沉積原理性誤差之一是工作臺的結構誤差，打印機整體剛度和裝配精度影響著3D 打印機的成型精度。其中，機架結構是整個機器所有零部件安裝定位的基準，機架部分在材料選擇上要具備足夠的剛度和強度。同時，連接部位的零件也應考慮到溫度或承載的影響，以免產生較大的變形[3-4]。

因此，本文設計的3D 打印機機架結構的材料選用了2020型標準鋁型材，同時采用了高精度的直角支撐連接件作為機架連接裝配的連接件，以保證機架位置的精度。同時，采用了可調節軸承座，從而獲得較高的位置精度。在此基礎上，對整體機架以及運動軸的檢驗，確保主體框架的平行度、垂直度達到0.02mm，使打印成型精度具有可靠的幾何精度保障，如圖2 所示。

圖2 整體結構設計

3 控制系統設計

硬件控制系統是三維打印機的核心部件之一，其功能包括數據處理、運動控制、擠壓控制、溫床溫度控制。等.三維打印機的結構使用圖3 所示的上行鏈路和下行鏈路控制模式系統設計。

圖3 控制系統結構

3.1 主控芯片

作為目前全球使用最廣泛的開源硬件，Arduino能實現簡單快捷的連接各類傳感器及拓展硬件獲得輸入信息，然后經過處理輸出控制信息，從而控制各類裝置[5]。通過Arduino的編程語言來編寫程序，編譯成二進制文件，燒錄進微控制器。在3D打印機領域，常用的程序包括Sprinter 固件、Marlin 固件及Repetier-firmware 固件。其中，Marlin 固件具有許多優點，支持預加速功能、支持圓弧、為了使PID溫度控制更加準確，對溫度進行多重采樣，自動調節溫度等。因此，本文設計的3D 打印機選用Arduino2560 作為主控處理器，控制程序選用Marlin 固件。

3.2 步進電機及驅動器

此外，其旋轉速度不受負載大小的影響，而普通電動機在負載增加時速度下降，而步進電動機則支持細節距離角允許精確的控制。為了保證打印精度與效率，對于X軸、Y軸、Z軸的驅動電機以及擠出頭模塊的電機均選用42 步進電機。步進電動機必須由步進電動機控制，步進電動機驅動裝置可以將由控制系統發出的脈沖信號轉換為步進電動機的角位移。本文選用了A4988 電機驅動器。這是一款完全的微步電動機驅動器，帶有內置轉換器，易于操作。該產品可有多種驅動模式可以選擇，能夠選擇合適的模式提高打印精度。

3.3 步進電機驅動優化

定位誤差屬于熔融沉積原理性誤差，而步進電機的運行會產生振動，從而影響擠壓頭及工作平臺的位置。因此，有必要減少步進電機在工作中產生的振動。

本文采用細分步進電機的步距角的方法來減弱步進電機的振動。具體方法是：將步進電機驅動芯片A4988 設置為1/16 驅動細分。通過細分驅動，步進電機旋轉一周所需的脈沖個數變為原來的16 倍，從而能夠緩慢地改變步進電機轉子的力，使得轉子的運行變得更加連貫光滑。通過對步進電機驅動的優化，實現伺服系統精確控制。

圖4 樣機

4 結論

本文針對FDM型3D打印機進行設計開發，主要包括機械結構、控制系統，并優化了整機裝配精度和伺服控制，樣機如圖4 所示。該3D 打印機結構簡單、承重力強，控制性好、代碼開源等優點，在控制成本的情況下，有效地提高了打印精度，縮短打印時間。