3D打印機(jī)的制作

楊陽+楊文健

摘 要：該論文設(shè)計的3D打印機(jī)是以arduino為主控制板，利用平臺豐富的器件驅(qū)動庫，為后續(xù)再次開發(fā)做好準(zhǔn)備。在擠絲機(jī)的推動作用下，打印材料通過加熱由打印噴頭送出，在程序的預(yù)設(shè)軌跡中進(jìn)行堆積，從而形成完整的打印體。

關(guān)鍵詞：3D打印 arduino 材料

中圖分類號：TP334.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）03（a）-0004-02

3D打印機(jī)是一種增材制造技術(shù)，即快速成形技術(shù)的一種機(jī)器，它是以一種數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用特殊粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過打印一層層的粘合材料來制造三維的物體，現(xiàn)階段的三維打印機(jī)被用來制造產(chǎn)品。3D打印機(jī)的原理是把數(shù)據(jù)和原料放進(jìn)3D打印機(jī)中，機(jī)器會按照程序把產(chǎn)品一層層造出來，目前的3D打印機(jī)不僅僅是能夠打印的機(jī)器，在工業(yè)以及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域都有突出的成就。目前3D打印機(jī)仍有精度低以及速度慢等問題，通過對3D打印機(jī)的設(shè)計研究能夠不斷地改進(jìn)完善這些問題，以提高其應(yīng)用范圍及應(yīng)用能力。

1 硬件設(shè)計

3D打印機(jī)的硬件部分主要包括主控板、擠絲部分、加熱部分、傳動部分。系統(tǒng)設(shè)計原理框圖如圖1所示。

利用三維軟件進(jìn)行建模并對模型進(jìn)行切片處理（將3D模型轉(zhuǎn)化為打印機(jī)可執(zhí)行的代碼，如G代碼、M代碼），建立必要的支撐結(jié)構(gòu)，設(shè)置各部分的參數(shù)。通過計算機(jī)或外部輸入設(shè)備傳輸連接至3D打印機(jī)發(fā)送控制指令，控制打印頭部分的材料融化，再通過3個控制方向的步進(jìn)電機(jī)帶動打印頭進(jìn)行X、Y、Z3個方向的移動，并且控制擠絲機(jī)部分進(jìn)行打印材料的擠出量調(diào)節(jié)。從底層開始逐層遞增進(jìn)行堆積，從而完成模型的打印。（見圖1、圖2）

（1）傳動結(jié)構(gòu)部分。

該設(shè)計的打印機(jī)共有X、Y、Z3個方向，每個方向上采用兩根金屬光桿并行的方式作為傳動方式，具有速度快、精度高、穩(wěn)定性較好等優(yōu)點(diǎn)。

3D打印機(jī)電路部分在打印機(jī)中起的作用是控制整個打印過程協(xié)調(diào)、有序、完整地運(yùn)行。該設(shè)計的3D打印機(jī)電路部分主要包括Arduino mega 2560主控板、Ramps 1.4拓展板以及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動板。

（2）送絲機(jī)部分。

3D打印機(jī)普遍有遠(yuǎn)端送絲與近端送絲兩種結(jié)構(gòu)，近端送絲是將擠出機(jī)安裝在打印頭上，打印材料通過擠出機(jī)擠出，直接進(jìn)入喉管，在鋁塊中融化后擠出。

遠(yuǎn)端送絲就是將擠出機(jī)安裝在距打印頭較遠(yuǎn)的位置，大部分情況下安裝在打印機(jī)的框架上，使用塑料的送料管與打印頭相連。

近端送絲整體質(zhì)量較大，所以打印時的慣性也大，容易使打印的精度降低。遠(yuǎn)端送絲不如近端送絲靈活，在一些模型需要特定的回抽時，遠(yuǎn)端送絲通常效果較差，因此對打印質(zhì)量有一定的影響。根據(jù)我們選用的電機(jī)型號以及結(jié)構(gòu)的設(shè)計，我們選擇了近端送絲的機(jī)構(gòu)。

（3）打印頭部分。

目前打印機(jī)大多數(shù)采用加熱棒對鋁塊進(jìn)行加熱。打印材料在擠絲機(jī)的傳動下，進(jìn)入打印頭，通過喉管，到達(dá)鋁塊，在加熱棒的加熱下熔化，進(jìn)入噴嘴，最后由噴嘴擠出。打印頭容易發(fā)生的故障之一就是“堵頭”，一般是由于加熱溫度不夠并且此時擠絲機(jī)仍在工作，或是由于散熱不到位造成打印材料還未進(jìn)入喉管就已融化，造成喉管及其附近堵塞，另外也受打印材料的純度等影響。鋁塊內(nèi)部的熱敏電阻實(shí)時讀取溫度，進(jìn)而通過主控板將其控制在一定范圍之間，保證溫度的穩(wěn)定。

（4）電機(jī)部分。

步進(jìn)電機(jī)是通過電流脈沖來精確控制轉(zhuǎn)動量的電機(jī)，電流脈沖是由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動單元供給的。該設(shè)計中選用的是42步進(jìn)電機(jī)，兩相四線。步距角為1.8°，即電機(jī)轉(zhuǎn)動一周周期為200步。轉(zhuǎn)軸直徑為5 mm，轉(zhuǎn)矩大小根據(jù)電機(jī)具體型號的不同而變化。我們設(shè)計的這款3D打印機(jī)需要5個步進(jìn)電機(jī)，X、Z軸各一個，Y軸兩個，擠出機(jī)一個。

步進(jìn)電機(jī)與同步帶相連，可以計算同步帶（即打印頭）運(yùn)動1 mm時所對應(yīng)的步數(shù)，由以下公式計算：步數(shù)=電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周的步數(shù)×驅(qū)動板的細(xì)分?jǐn)?shù)÷齒間距÷步進(jìn)電機(jī)上齒的數(shù)量。

2 軟件設(shè)計

（1）下位機(jī)。

主控板我們需要使用開源的Marlin固件，Marlin固件為自由軟件，可以直接用來做軟件開發(fā)，在該固件中可以根據(jù)機(jī)器的實(shí)際情況進(jìn)行參數(shù)的更改。固件中包含了絕大多數(shù)的功能，如預(yù)加速功能，自動調(diào)節(jié)PID溫度控制，以及支持LCD顯示屏SD卡擴(kuò)展等功能。

（2）上位機(jī)。

一般3D打印機(jī)打印需要的文件格式是G-Code代碼的格式。Repetier-Host是一款綜合軟件，具有進(jìn)行切片、查看修改G-Code、手動控制3D打印機(jī)、更改某些固件參數(shù)以及其他的一些小功能。Repetier并不提供切片引擎，而是在該軟件外部調(diào)用其他的切片軟件進(jìn)行切片，比如CuraEngine、Slic3r及Skeinforge等切片軟件。在同類軟件（如Printrun，Repelicator-G）中使用起來是比較方便的一款。

（3）建模軟件。

對于建模而言，使用的軟件較多，一般建模軟件如SolidWorks，3D max等都可以生成stl格式的文件，然后再通過切片軟件進(jìn)行切片。

3 結(jié)語

整體安裝調(diào)試結(jié)果表明，由于沒有可以參考的標(biāo)準(zhǔn)模型，打印機(jī)的打印精度和打印機(jī)安裝時的步驟及安裝位置的準(zhǔn)確度密切相關(guān)，因此在安裝時，我們盡可能地做到準(zhǔn)確測量，精確安裝，在結(jié)構(gòu)上的誤差做到最低。在程序調(diào)試時，結(jié)構(gòu)和所用零部件型號的不同需要不同的算法，我們要測量部件結(jié)構(gòu)的相關(guān)屬性，準(zhǔn)確計算所用的各連接件的參數(shù)，通過修改程序可提高打印的精度。

參考文獻(xiàn)

[1] 許廷濤.3D打印技術(shù)——產(chǎn)品設(shè)計新思維[J].電腦與電信，2012（9）：5-7.

[2] 劉厚才，莫健華，劉海濤，等.三維打印快速成形技術(shù)及其應(yīng)用[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2008，27（9）：1184-1186.

[3] 陳步慶，林柳蘭，陸齊，等.三維打印技術(shù)及系統(tǒng)研究[J].機(jī)電一體化，2005，11（4）：13-15.

[4] 楊小玲，周天瑞.三維打印快速成形技術(shù)及其應(yīng)用[J].浙江科技學(xué)院學(xué)報，2009，21（3）：186-189.

[5] 胡發(fā)宗，趙毅，陳罡，等.三維立體打印機(jī)的成形技術(shù)[J].模具技術(shù)，2004（1）：60-62.