3D打印機的制作

楊陽+楊文健

摘 要：該論文設計的3D打印機是以arduino為主控制板，利用平臺豐富的器件驅動庫，為后續再次開發做好準備。在擠絲機的推動作用下，打印材料通過加熱由打印噴頭送出，在程序的預設軌跡中進行堆積，從而形成完整的打印體。

關鍵詞：3D打印 arduino 材料

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

3D打印機是一種增材制造技術，即快速成形技術的一種機器，它是以一種數字模型文件為基礎，運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，現階段的三維打印機被用來制造產品。3D打印機的原理是把數據和原料放進3D打印機中，機器會按照程序把產品一層層造出來，目前的3D打印機不僅僅是能夠打印的機器，在工業以及醫學領域都有突出的成就。目前3D打印機仍有精度低以及速度慢等問題，通過對3D打印機的設計研究能夠不斷地改進完善這些問題，以提高其應用范圍及應用能力。

1 硬件設計

3D打印機的硬件部分主要包括主控板、擠絲部分、加熱部分、傳動部分。系統設計原理框圖如圖1所示。

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

（1）傳動結構部分。

該設計的打印機共有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、穩定性較好等優點。

3D打印機電路部分在打印機中起的作用是控制整個打印過程協調、有序、完整地運行。該設計的3D打印機電路部分主要包括Arduino mega 2560主控板、Ramps 1.4拓展板以及步進電機驅動板。

（2）送絲機部分。

3D打印機普遍有遠端送絲與近端送絲兩種結構，近端送絲是將擠出機安裝在打印頭上，打印材料通過擠出機擠出，直接進入喉管，在鋁塊中融化后擠出。

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

近端送絲整體質量較大，所以打印時的慣性也大，容易使打印的精度降低。遠端送絲不如近端送絲靈活，在一些模型需要特定的回抽時，遠端送絲通常效果較差，因此對打印質量有一定的影響。根據我們選用的電機型號以及結構的設計，我們選擇了近端送絲的機構。

（3）打印頭部分。

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

（4）電機部分。

步進電機是通過電流脈沖來精確控制轉動量的電機，電流脈沖是由步進電機驅動單元供給的。該設計中選用的是42步進電機，兩相四線。步距角為1.8°，即電機轉動一周周期為200步。轉軸直徑為5 mm，轉矩大小根據電機具體型號的不同而變化。我們設計的這款3D打印機需要5個步進電機，X、Z軸各一個，Y軸兩個，擠出機一個。

步進電機與同步帶相連，可以計算同步帶（即打印頭）運動1 mm時所對應的步數，由以下公式計算：步數=電機旋轉一周的步數×驅動板的細分數÷齒間距÷步進電機上齒的數量。

2 軟件設計

（1）下位機。

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，在該固件中可以根據機器的實際情況進行參數的更改。固件中包含了絕大多數的功能，如預加速功能，自動調節PID溫度控制，以及支持LCD顯示屏SD卡擴展等功能。

（2）上位機。

一般3D打印機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，具有進行切片、查看修改G-Code、手動控制3D打印機、更改某些固件參數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用其他的切片軟件進行切片，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行切片。

3 結語

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

參考文獻

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