FDM型3D打印機(jī)設(shè)計(jì)

胡健 邱鵬飛

摘要：快速成型（FDM）是一種使用熱塑性的塑膠材料將材料壓成半熔融形態(tài)的細(xì)長(zhǎng)絲狀，然后將材料一層一層疊加從3 DCAD數(shù)據(jù)內(nèi)建立原型的技術(shù)。本文在介紹快速成型（FDM）打印機(jī)基本內(nèi)容的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)介紹了它的運(yùn)行機(jī)制和機(jī)器結(jié)構(gòu)，還對(duì)他的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的分析。自制的FDM 3D打印機(jī)遵循3D打印機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)思思路同時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以在實(shí)踐中不斷修改和優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，以滿足創(chuàng)新和創(chuàng)新的需要。

關(guān)鍵詞：3D打印機(jī)；FDM技術(shù)；快速成型

目前，以3D打印為技術(shù)核心的“第三次工業(yè)革命”在全世界興起了一股數(shù)字化制造業(yè)的熱潮，隨著中國(guó)等一批新興國(guó)家不斷向該領(lǐng)域進(jìn)軍，發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)3D打印技術(shù)的獨(dú)導(dǎo)地位正在不斷的減弱。本文主要介紹3D打印機(jī)的工作原理及性質(zhì)，進(jìn)而分析其結(jié)構(gòu)組成，側(cè)重研究分析機(jī)械部分三維打印端頭的結(jié)構(gòu)和影響打印端頭精度的因素。最后結(jié)合電機(jī)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律與機(jī)床的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)出最完善的方案并制作成型。

1 FDM型3D打印機(jī)打印原理及結(jié)構(gòu)分析

1.1 打印原理及過程

原理：快速成型技術(shù)的基本原理是先用軟件畫出產(chǎn)品的三維CAD模型，以設(shè)定好基本參數(shù)，取合理的的厚度對(duì)模型進(jìn)行切片處理，即將3D模式轉(zhuǎn)化為一步步的指令，一層層執(zhí)行。機(jī)器加熱噴頭根據(jù)每一層的二維截面信息進(jìn)行移動(dòng)，送絲機(jī)構(gòu)將絲材送往噴頭，在噴嘴部件旁，塑膠絲體被充分加熱到熔點(diǎn)并熔化，隨后從噴嘴中加壓成型，并將成型材料防止在工作臺(tái)表面，然后在工作臺(tái)上降溫固化。，形成模型的一層。打印結(jié)束后，工作臺(tái)面就會(huì)降低與該層厚度大小相同的高度。之后一直按照這個(gè)過程重復(fù)打印，直到整個(gè)實(shí)體模型完成打印為止。

過程：CAD三維建?！鶦AD模型的近似處理→切片處理→造型→后處理

1.2 結(jié)構(gòu)分析

框架設(shè)計(jì)分析：采用了鋁型材組裝了打印機(jī)的基本框架。通過三軸聯(lián)動(dòng)平臺(tái)、步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)滑塊、傳動(dòng)絲杠、導(dǎo)向光桿等部件組成基礎(chǔ)傳動(dòng)系統(tǒng)，滿足打印機(jī)在X、Y、Z三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)控制。

電路設(shè)計(jì)分析：3D打印機(jī)的電路部分非常重要，此電路控制機(jī)器的的整個(gè)運(yùn)行過程。路線主要由以下三個(gè)主要部分構(gòu)成：Arduinomega 2560主控制板、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板和Ramps1.4膨脹板?？蓾M足機(jī)器大量IO接口的設(shè)計(jì)需求，并且能更好的使各部件進(jìn)行連接和控制。也增強(qiáng)了機(jī)器容錯(cuò)率。

軟件設(shè)計(jì)分析：3D打印機(jī)包括上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件。打印機(jī)的主控板對(duì)各參數(shù)的設(shè)置及控制通過軟件的運(yùn)行實(shí)現(xiàn)。在本機(jī)器中主要選用：下位機(jī)軟件Marlin固件、上位機(jī)切片軟件Slic3r、上位機(jī)打印控制軟件Pronterface。以上軟件的組合使用，能夠是的機(jī)器在使用的過程中體現(xiàn)更好的性能與流暢度。

2 主要零部件選擇、電路測(cè)試

（1）電機(jī)的選擇：電機(jī)控制系統(tǒng)一共可分為2種電機(jī)。它們分別是伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)。本文設(shè)計(jì)的快速成型（FDM）打印機(jī)UI步進(jìn)電機(jī)配合更為合適。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)能滿足快速成型（FDM）3D打印機(jī)基本使用情況下都需求兩相四線的42步進(jìn)電機(jī)，在同相之間有電阻。步距角普遍在1.8°的需求。

（2）擠出頭的選擇：擠出頭一共分為2類，分別是單擠出頭和雙擠出頭。本臺(tái)機(jī)器由于不過度追求速度因此選擇單擠出頭更為合適，按照有差異的應(yīng)用環(huán)境以及實(shí)踐狀況本裝置選擇0.4mm的噴嘴。

（3） 送絲機(jī)構(gòu)的選擇：3D打印機(jī)送絲機(jī)構(gòu)能夠分為遠(yuǎn)端和近端兩種。本機(jī)構(gòu)需要一定的打印速度和精準(zhǔn)度故選擇了遠(yuǎn)端送絲結(jié)構(gòu)作為機(jī)器的送絲機(jī)構(gòu)。

（4）電路測(cè)試：測(cè)試準(zhǔn)備：安裝Arduino IDE→下載Slic3r→下載Printrun→下載Marlin固件

電路板的連接與電路測(cè)試：中斷USB線，把Ramps 1.4拓展板連到板上，Ramps上不是正面的那一面的插針都需要連接到主控板上。而后再把熱敏電阻接到板子的正確的位置。檢查線路都正確之后連接上USB數(shù)據(jù)線和12V電源。啟動(dòng)Printurn上位機(jī)軟件。mega2560在接通電源的開始的時(shí)候，RAMPS板子上的第一個(gè)LED綠燈燈會(huì)閃動(dòng)幾次。這就表明了mega2560板子里的固件已經(jīng)在運(yùn)轉(zhuǎn)。

啟動(dòng)上位機(jī)之后，應(yīng)用正確的串口，調(diào)用波特率為250000，再點(diǎn)擊connect。若正常。圖形操作區(qū)變成高亮。溫度線旁邊的watch選項(xiàng)勾選。檢測(cè)溫度是否正確，若檢測(cè)的溫度與室溫相當(dāng)，表明連接正確。若為0，則體現(xiàn)連接失敗，要進(jìn)行檢查任務(wù)。完成上步后就是測(cè)試三個(gè)輸出端。分別在”Heat”和”Bed”旁點(diǎn)擊”set”按鈕，并在右下部位輸入M106 S255 來打開風(fēng)扇。若在這個(gè)時(shí)分RAMPS1.4上亮起了三個(gè)紅燈，這就表明輸出端測(cè)試順利完成。輸入M107可關(guān)閉風(fēng)扇。

步進(jìn)電機(jī)的檢測(cè)，第一步需要斷開機(jī)器的電壓源，然后把型號(hào)為A4988的驅(qū)動(dòng)板與Ramps1.4向連接。在此檢測(cè)環(huán)節(jié)一定要有一個(gè)電機(jī)進(jìn)行檢測(cè)，通常情況下可使用萬用表的200歐姆測(cè)電阻對(duì)電動(dòng)機(jī)兩端連接檢測(cè)。按次電機(jī)線紅、藍(lán)、綠、黃連接。完成連接之后，接通電源，利用Printurn上位機(jī)軟件使其轉(zhuǎn)動(dòng)。若先將電機(jī)裝在X軸上，則按動(dòng)X軸的+方向操作，這時(shí)電機(jī)會(huì)往正方向進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。若電機(jī)方向操作，電機(jī)則進(jìn)行反轉(zhuǎn)。在不同軸上重復(fù)上述的操作。

3 打印機(jī)的組裝及打印運(yùn)行

（1） 打印機(jī)的組裝包含：角件與電機(jī)安裝、鋼型材的安裝、電源與主板的安裝、擠出頭的安裝、熱床的安裝。

（2）打印機(jī)的測(cè)試白喊：三軸步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行測(cè)試、測(cè)試限位開關(guān)、測(cè)試擠出頭風(fēng)扇、測(cè)試擠出頭加熱、擠出頭入料測(cè)試。

參考文獻(xiàn)：

[1]張楠，李飛.3D打印技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用對(duì)未來產(chǎn)品設(shè)計(jì)的影響[J].河北石家莊：河北科技大學(xué)藝術(shù)學(xué)院，2013，30（7）：9799.

[2]張永，周天瑞，徐春暉.熔融沉積快速成型工藝成型精度的影響因素及對(duì)策[J].南昌大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，29（3）：252256.

基金項(xiàng)目：浙江省高等教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：jg20160265

作者簡(jiǎn)介：第一作者胡?。?991），男，漢族，浙江金華人，助教，工學(xué)學(xué)士，研究方向：機(jī)械工程；第二作者邱鵬飛（1986），男，漢族，江西撫州人，講師，工學(xué)碩士，研究方向：機(jī)電一體化。