基于開源軟硬件的多功能FDM型3D打印機研究與開發

劉磊，吳建

(1.新余學院機電工程學院，江西 新余 338004；2.蕪湖職業技術學院，安徽 蕪湖，241000)

0 引言

3D打印技術是一種增材制造技術，它將數字化模型切片分層，按照一定的截面軌跡，運用PLA、ABS、粉末金屬、光敏樹脂或者食品原料等材料，通過逐層打印，層層疊加累積的方式來建構實物，能夠將人們的創意和想法迅速變成現實。它的出現，顛覆了傳統的加工技術，無需機械加工或模具就能將數字化模型直接變成實物，極大地縮短了產品的生產周期，為個性化、小批量生產帶來了便利[1]。目前，3D打印技術已廣泛于汽車、航空航天、生物醫療、建筑、食品加工及文物修復等諸多領域，具有極大的市場潛力，勢必成為未來突破性技術之一。

目前，常見的3D打印技術主要包括立體光固化成型SLA、選擇性激光燒結SLS、選擇性激光熔融SLM、三維印刷工藝3DP、熔融沉積成型FDM等。其中，FDM技術由于成本低、可選材料多、工藝簡單等因素，受到眾多DIY創客的關注，開發了多種多樣的開源FDM型桌面3D打印機，讓3D打印這個新興技術真正走進了普羅大眾。

針對目前國內外FDM型桌面3D打印機存在的打印精度不高、功能單一、打印速度較慢等問題，本文采用開源軟硬件系統，設計開發了一臺打印精度高、打印速度快、穩定可靠、擠出系統模塊化的多功能FDM型3D打印機，具有一定的創新性和實用性。

1 3D打印機的機械結構設計

3D打印機的機械結構設計主要包括機身框架、運動系統、擠出系統等。

1.1 機架與運動系統

目前，FDM型3D打印機機型結構主要有Prusa i3（龍門架結構）、Ultimaker （十字軸結構）、Makerbot、Corexy等。考慮到不同擠出系統模塊的更換便利性、可拓展性及方便升級維護，本設計采用開放式的i3結構。打印噴頭完成Z軸和X軸方向的運動，打印平臺完成Y軸方向運動，采用雙z軸電機設計使打印頭移動更加穩定。

常用的3D打印機運動系統傳動方式有同步帶+光軸、同步帶+導軌和滾珠絲桿+導軌三種。為減少震動、提高打印精度和速度，方便維護，本設計XYZ三軸都采用滾珠絲桿+導軌傳動方式[2]。由步進電機通過聯軸器連接滾珠絲桿，帶動絲桿轉動，從而使絲桿上的螺母產生直線運動，再帶動堅固在螺母上打印噴頭或打印平臺移動。各軸的運動范圍由光電開關進行限制。3D打印機的結構如圖1所示。

圖1 3D打印機結構

1.2 擠出系統

為實現3D打印機的多功能化，本設計采用了兩種擠出系統：線材擠出和氣壓擠出。可根據打印材料和應用場合的不同，隨時更換，實現多功能打印。

線材擠出可打印傳統的PLA、ABS等線材，實現概念模型、文化創意產品及機械零部件的制造。擠出部分選用MK8遠程擠出套件，噴頭部分選用E3D V6組件，噴嘴直徑0.4 mm，采用加熱棒加熱，熱敏電阻測溫。如圖2所示。

圖2 線材擠出系統

氣壓擠出可用來打印巧克力等食材，還可應用于PDMS柔性傳感材料的壓電復合薄膜制備，為該材料的復雜結構制造、可穿戴電子器件及其監測元件的研究開發奠定基礎。氣壓擠料系統由氣泵、氣動三聯件（調壓、過濾、干燥）、高頻電磁換向閥（起氣路開關作用）、點膠針頭、點澆針筒（塑料和不銹鋼兩種材料）、針筒連接器及針筒支架組成。氣動擠出系統原理圖如圖3所示。當需要打印時，電磁換向閥電磁鐵通電（由繼電器控制），左位工作，氣體通過連接器進入針筒，將材料從針頭擠出，打印在熱床平臺上。當空行程或無需打印時，電磁鐵斷電（由繼電器控制），右位工作，針筒無氣體進入，停止擠料。

圖3 氣壓擠出系統原理與組成

3D打印熱床平臺選用MK3鋁基板，尺寸310 mm×310 mm×3 mm，電壓24 V。采用電熱絲加熱，熱敏電阻測溫。

2 運動系統傳動零部件計算與選型

2.1 滾珠絲桿螺母副選型

本設計X軸、Y軸和Z軸滾珠絲桿的工作行程都為300mm，單向定位精度要求±0.05mm，查閱溫州上煜傳動科技有限公司相關技術資料，選用C7級精度等級，其導程誤差為±0.05 mm/300 mm，符合設計要求。

為保證足夠的剛度，絲桿外徑選用16mm。

設計要求X軸、Y軸進給速度最大為120mm/s,根據公式:Ph=Vmax60/inmax可確定絲桿導程[3]。電機通過聯軸器與滾珠絲桿直聯，故傳動比i=1，步進電機空載時最大轉速nmax一般可達到1 000 r/min，帶負載穩定運行時nmax一般可取500 r/min，將數值代入公式，可算得絲桿導程Ph=14.4 mm，故最終絲桿導程按標準定為16 mm。由于3D打印機Z軸是間歇式按切片時所設定的層厚上升的，對進給速度無過多要求，為保證傳動時的精度和剛度，選用小導程Ph=5 mm。

確定以上絲桿的主要參數后，查閱溫州上煜傳動科技有限公司相關技術資料，最終X軸、Y軸選用該公司SFE1616-L500單螺母型大導程滾珠絲桿模組，Z軸選用SFU1605-L500型模組，精度等級都為C7級，總長度500 mm，采用一端支撐一端固定的安裝方法，以保證一定的旋轉速度和較高的定位精度，支撐和固定配套的軸承座型號分別為EF12和EK12。聯軸器選用SYC30梅花系列型，與所選絲桿和電機配套。直線導軌選用HGH20HA四方型、超重負荷、滑塊上鎖式導軌，其中X軸導軌為一條，長460 m；Y軸導軌有兩條，長460 mm；Z軸導軌有兩條，長400 mm。

2.2 步進電動機的選型

首先對Z軸的步進電機進行選型。在本設計中估算Z軸所帶負載（包括螺母座、滑塊、固定板、X軸零部件及擠出系統）重量約為Mw=20 kg，絲桿重量為Mb=2 kg，絲桿導程Ph=5 mm，絲桿直徑D=16 mm，摩擦系數（垂直安裝時為1），機械效率，Z軸移動速度Vmax=80 mm/s，步進電機加減速時間為t=0.1 s。根據公式計算如下：

負載的轉動慣量:

負載和絲桿加速時所需總轉矩

步進電機所需的最大驅動扭矩為加速運行時的驅動扭矩，即：TZ=Tf+Ta=0.3 N.m

根據以上計算，本設計Z軸電機選用57HBP56AL4型步進電機，端面尺寸為57 mm，轉矩為1.2 Nm，帶有斷電剎車抱閘功能，能夠防止Z軸上的零件部件在斷電后下滑，保證安全。在空載時電機轉速能達到1 000 r/min，額定負載下加速后穩定在500 r/min左右。配套的電機驅動器選用DM-542，最大支持64細分，驅動電路類似伺服控制，使電機低速運動平穩，無震動和噪音，可實現一個驅動器帶動2個Z軸電機，實現雙Z軸電機的同步運行，保證擠出噴頭系統的水平和穩定。

X軸、Y軸步進電機的選型計算方法同Z軸，也采用57系列步進電機，型號為MKS SERVO57B,保持轉矩1.2 Nm，不帶抱閘功能，采用廣泛使用的DRV8825步進電機驅動模塊。

3 3D打印機的控制系統設計

3.1 開源硬件

3D 打印機的開源主板根據其芯片分類主要有Arduino mega 2560、STM32、樹莓派及ARM這四種。基于這四種核心，人們開發出了種類繁多，功能各異的3D打印機主板[4]。本3D打印機主控制板選用創客基地開發的MKS GEN_L主板。它將開源主板Ramps1.4和Arduino mega 2560集合到一塊板子上，解決了Ramps1.4 組合接口繁瑣、易出故障的問題；預留電機脈沖和方向輸出端口，可外接DM-542等大驅動來驅動57系列、86系列等大電機，也支持 A4988、 DRV8825及TMC2100等常用驅動；最多支持5個電機。與主板配套的操控屏幕選用創客基地開發的MKS TFT35全彩觸摸3.5"液晶顯示屏，支持斷電續打、斷電保存、打完開機及WIFI等模塊。

硬件都選擇并安裝好后，就可以進行接線了。包括電機相位線、電機驅動線、限位開并線、風扇接線、噴頭和熱床加熱線、噴頭和熱床熱敏測溫線、電源接線及觸摸屏接線等，將相應的接線頭插入MKS GEN_L主板相應的卡槽位置即可。主板接線圖如圖4所示。

圖4 主板接線圖

3.2 開源固件

固件（firmware）是硬件設備的一種驅動程序，其作用是控制硬件來完成預期的設備功能，相當于PC電腦上的操作系統[5]。基于不同核心的開源主板往往對應不同的固件，如Sprinter 、 Marlin 、 Teacup 、OctoPrint及smoothieware等，每種固件都有其自身的特點，應根據3D打印機的功能要求選擇合適的固件。

本設計選擇使用非常廣泛的Marlin固件。使用 Arduino IDE 打開 marlin.ino，切換到 Configuration.h 即可查看并修改該文件。主要需要修改配置的參數包括波特率、主板類型、擠出電機數量、擠出噴頭數量、限位開關設置、噴頭和熱床溫度配置、傳感器配置、步進電機方向、XYZ軸和E軸擠出機每移動一毫米所需要的脈沖數及顯示屏型號等。

以“XYZ軸和E軸擠出機每移動一毫米所需要的脈沖數”為例。本設計X、Y軸選用的57步進電機步距角是1.8°，細分數為16，那么 步進電機運動一圈就發生360/1.8×16=3 200個脈沖，X、Y軸絲桿導程為16 mm（即絲桿轉動一周，絲桿螺母運動16 mm ），那么X、Y軸的分辨率為 3 200/16=200。Z軸絲桿導程為5 mm，那么Z軸的分辨率為 3 200/5=640。E軸擠出齒輪直徑為10 mm，那么 E 軸分辨率是 3 200/( 10×3.14) = 101.86。如圖5所示。

圖5 固件修改與配置

固件修改好后，在Arduino IDE【工具】菜單中選擇正確的主板型號和端口號，單擊左上角的【上傳】工具，就可將Marlin固件燒錄到主板中。

4 結語

設計了一款基于開源軟硬件的多功能FDM型3D打印機，利用UG軟件完成了機架的結構設計，并對傳動系統中滾珠絲桿螺母副和步進電機進行了計算選型。設計了線材和氣壓兩套擠出系統，通過更換不同的模塊，可輕松實現線材、食材及凝膠類材料的打印，以適應不同的應用場合，實現多功能打印。基于開源軟硬件進行改造開發的，成本低，可拓展性強，性能可靠。