基于CoreXY結構3D打印機的研究與設計

黃家豪 佟向坤 方育凱

廣東東軟學院計算機學院 廣東 佛山 528000

引言

3D打印技術，又稱為增材制造技術，是一種通過逐層打印來構造物體的技術，3D打印技術出現在20世紀80年代末至90年代初（也稱為快速成型技術），至今不到30年歷史。熔融沉積成型（FDM）是使用最為廣泛的3D打印工藝之一，它通過將絲狀的熱熔性材料（通常為ABS或PLA材料）進行加熱融化，通過帶有微細噴嘴的擠出機把材料擠出來，熔融的絲材被擠出后隨即會和前一層材料黏合在一起[1]。一層材料沉積后工作臺將按預定的增量下降一個厚度，然后重復以上的步驟直到工件完全成型。因此也稱為增材制造工藝。3D打印并不神秘，相對于具有千年的等材制造工藝和具有百年的減材制造工藝，它只是一種制造成型的新工藝。其具有材料便宜、設備維護及運營成本低、占用空間小及保護環境等優點。當然，3D打印作為一項年輕的成型工藝，還存在著許多的不足，比如成型時間慢、精度低、材料種類少、無法大批量生產等[2]，但仍然阻止不了3D打印機DIY者的熱情。

目前市面上的桌面消費級3D打印機存在低成本無法實現打印精度和打印速度共存、快速打印下誤差相對較大、打印大小受到一定限制等問題，仍有不少改進空間。本文在開源系統的基礎上，研制出一種基于CoreXY結構的新型雙z軸打印機，對現有的FDM 桌面 3D 打印機的機械結構與機械傳動系統、控制系統等部分進行了優化設計，具有一定的創新性與實際參考意義[3]。

1 CoreXY結構優化設計

CoreXY結構最大特點是將電機固定在機架上，減輕了噴頭模塊在運動過程中的負載，使噴頭模塊的慣性更小、動作更加平穩。CoreXY結構的原理圖如圖1所示。整個結構的各種運動方式都是通過一根皮帶的傳動來實現的，這種傳動方式效率高，整體結構相對簡單，運動靈活。

圖1 CoreXY結構原理圖

CoreXY結構運動位移?X，?Y與步進電機M1、M2的線位移?A、?B之間的關系如式（1）和（2）所示：

當兩個步進電機以相同的速度順時針或逆時針同向轉動時，滑塊就會沿X軸方向水平運動，?A、?B的大小、方向相同；此時有：

當兩個步進電機以相同的速度相反的方向轉動時，滑塊就會沿Y軸方向運動，此時：

當某一個步進電機轉動另一個靜止時，滑塊將沿著平面XY坐標軸的45°、135°、225°、315°方向直線。

由上可知，CoreXY結構可以非常方便地實現滑塊沿著X、Y軸方向和Y=X、Y=-X方向移動。

因此，本文根據CoreXY結構的運動方式，改進了傳動皮帶的繞法，將雙向同步帶輪重疊，它們獨立運動互不影響，如圖2所示的設計，該設計有效減少CoreXY傳統繞法占用空間大的缺點，增加了打印機噴頭移動的有效范圍。

圖2 改進CoreXY傳動繞線方式示意圖（1）

在CoreXY結構的傳動系統設計上，X軸與Y軸采用了具有傳動效率高，誤差少，穩定性強，維護簡單，成本低的特點的高精度8mm的直線光軸導軌和加長直線軸承，在滑塊上設計了鎖緊同步帶裝置，后期同步帶拉伸形變時維護簡單[4]。在XY滑座上有同步帶卡槽，可收緊同步帶裝置，避免同步帶用久后防松，采用三軸聯動和同步帶保障設備的同步，X 軸、Y 軸、Z軸精度控制由精確控制步進電機與步進角脈沖數量確定升降運動的精度。

圖3 改進CoreXY傳動繞線方式示意圖（2）

2 整體機械結構與傳動系統優化設計

相較于龍門結構（Prusa i3），方形盒體使用標準鋁型材搭建整個3D打印機的骨架，該結構穩定而堅固，打印時機身晃動小，是高速打印的基礎。打印機主板、電源和顯示屏等電器部件可以隱藏至機體內，整機的空間利用率高[5]。ABS材質的耗材在打印加熱時會揮發有毒物質，而該結構可以很輕松的設計成封閉式的箱體和排氣系統，封閉式的箱體能有效減少有毒物質揮發對人體的傷害，有助于保持熱床溫度穩定，提升ABS材質打印的質量，減少打印件翹邊現象；能有效減少打印中所產生的靜音；可防止3D打印時外界對打印件的干擾，保護周圍人的安全。外觀設計簡單美觀、能自由選擇顏色搭配與周圍環境相融合[6]。如圖5所示，通過三維軟件對設備的整體機械結構進行優化設計，以降低成本并提高設備的可靠性和穩定性。

圖4 整機示意圖

圖5 MKS-GEN_L V2.1 開源主板

3 控制系統優化設計

如圖6所示，本文所設計的3D打印機在MKS-GEN_LV2.1開源主板和Marlin固件基礎上優化改進，根據需求做到個性定制，該控制主板采用ATMEGA2560-AU作為主控芯片，支持12V或24V直流電壓輸入，引出XYZ電機、熱床、熱敏電阻、XYZ軸限位器、LCD屏幕、外接57/86步進電機驅動、雙風扇、雙擠出頭加熱等接口[7]。

圖6 實物圖

該主板價格適中性價比高，能滿足3D打印機的基礎功能。但預留了XYZ軸和兩個擠出頭電機的接口，都未集成電機驅動模塊，為了確保打印精度更高，減少打印時的噪音，本文所設計的3D打印機采用了TMC2208步進電機驅動[8]。基于此主板，還加入了3Dtouch自動調平傳感器，使得機器支持自動調平功能，打印時對層高進行智能補償；針對3D打印機打印完后一直處于待機、噴頭長時間處于加熱狀態，易造成火災、短路、耗費電等問題，加入了打完斷電模塊；突然斷電時，為保護模型不會被噴頭高溫損壞，加入UPS模塊用于斷電時抬升Z軸，從模型處移開高溫噴頭；安裝了斷料監測模塊，當耗材意外折斷或消耗完時，能實現斷料反饋；為了更好的用戶體驗，加入了3.5寸TFT彩色觸摸屏，用戶操作簡單直觀。

Marlin是3D打印機的一個開源固件。它源于Sprinter和grbl，并于2011年8月12日在Github發布，成為一個獨立的開源項目。時至今日，來自全球近一千人貢獻了1.9萬次代碼更新，Marlin是根據GPLv3許可的，對所有應用都是免費的[9]。Marlin固件應用于Ultimaker、Printrbot、AlephObjects（Lulzbot）和Prusa Research等全球有名的3D打印機供應商的產品中。它被證明是一個直接的、可靠的、適應性強的打印機固件，它的可配置、可定制、可擴展的特性，被廣大3D打印機DIY者所喜愛。本文所設計的3D打印機基于Marlin固件修改、定制而成，使用其優秀的3D打印電機控制算法，為高精度的打印奠定了基礎。

4 結束語

本文所設計的基于CoreXY結構的3D 打印機，結構緊湊、空間利用率高、操作簡單、功能強大、穩定性強。采用標準鋁型材框架，在高速打印時，機身穩定不晃動。采用彩色觸摸屏，一鍵式電源啟動，確保操作便捷。具有斷電記錄恢復，在打印過程中斷電，能抬起高溫噴頭防止損壞模型。打印完成后自動關機，自動調平傳感器實現打印智能補償。