桌面型FDM 3D打印設備的優化設計與精度分析

張文君，方輝，袁澤林，黃紀剛，董秀麗

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桌面型FDM 3D打印設備的優化設計與精度分析

張文君，方輝*，袁澤林，黃紀剛，董秀麗

（四川大學 制造科學與工程學院，四川 成都 610065）

目前市面上桌面型FDM 3D打印設備種類繁多，受到結構穩定性、熔融溫度、環境溫度等多重因素的綜合影響，其打印精度差異明顯。為了提高打印精度，對某一桌面型FDM 3D打印設備影響精度的相關缺陷進行了分析，并對設備的箱體結構、運動系統機械結構、運動控制部分等方面進行優化設計。對設備優化設計前后的打印件精度進行了對比分析，相關數據表明，改進后的設備打印精度得到顯著提升，相關技術內容對提升FDM 3D打印機打印精度具有實際意義。

桌面型FDM 3D打印設備；機械結構改進；運動控制；共振；精度

近年來，隨著3D打印技術的發展，基于各類工藝的3D打印技術及設備相繼被研發并逐漸推入市場，其中基于熔融沉積成型（Fused Deposition Modeling，FDM）工藝的3D打印技術發展尤為迅速[1]。FDM 3D打印技術的工作原理是將打印材料加熱至熔融狀態并從噴嘴擠出，噴嘴根據實體水平截面形狀選擇性涂覆實體材料或支撐材料，使熔融態材料逐層堆積，最終形成目標實體。FDM 3D打印設備由箱體結構，控制、、方向運動的機械結構，噴射結構，控制部分組成[2]，打印耗材包括PLA、ABS等。

目前FDM 3D打印設備市場發展迅速，但設備打印精度普遍偏低。本文選取其中一種桌面型FDM 3D打印機（以下簡稱X型FDM 3D打印機），對其進行實驗研究。分析其機械結構及控制部分存在的缺陷，逐步改進，達到提高設備打印精度的目的，從而進一步提高設備性能。

1 X型FDM 3D打印設備缺陷分析

X型FDM 3D打印設備機箱為半封閉式結構，由螺釘連接鈑金件制成；其運動系統機械結構中，、方向為同步帶傳動，光桿導向；方向由絲杠螺母傳動，光桿導向；打印工作平臺由三角形平臺基座和玻璃打印平臺構成。設備實物如圖1所示。

圖1 X型FDM 3D打印設備

經反復實驗發現，該X型FDM 3D打印設備存在如下缺陷：

（1）機箱結構易引起共振，裝配基準精度較差[3]，易引起系統誤差；

（2）運動系統結構運動精度較低、摩擦阻力大，增大了系統誤差；

（3）打印工作平臺缺少溫度補償裝置，打印件易出現錯移、翹曲等問題。

因此，本文對該X型FDM 3D打印設備機械結構及控制部分中，影響打印精度的因素進行分析并逐一優化，比較設備改進前后打印件精度的變化。從機械結構入手，先對設備箱體結構進行優化，并基于此結構優化運動系統結構，再對打印平臺結構進行優化，最后完成控制部分的優化，分別測量設備每一次改進前后打印件的相關尺寸，整理數據并進行精度誤差分析。

2 X型FDM 3D打印設備的機械結構優化設計及精度分析

2.1 X型FDM 3D打印設備機箱結構優化設計及精度分析

X型FDM 3D打印設備其機箱各部分采用螺釘連接，不能起到定位作用，裝配基準精度差，且該種結構的機箱互換性低。其驅動裝置和運動系統結構固定聯接于半封閉式機箱的側板和底板上。由于打印參數的限制，設備運行時，控制、方向運動的兩個步進電機頻率接近，易產生共振[4]。同時，運動系統中同步帶傳動方式、同步帶張緊程度、絲杠與光桿加工精度和剛度等要素，也會引起振動。各結構引起的振動共同作用于機箱，故設備工作時振動明顯，打印平穩性和打印精度較差。因此，針對上述缺陷，對機箱結構進行優化設計。選取開放式鋁型材框架結構[5]，其具有以下優點：

（1）鋁型材是標準件，互換性強，后期加工工序簡單，方便裝配與校核，縮短生產周期；

（2）鋁型材框架機箱體積小，振動傳遞的固態介質少，可以有效地降低振動對整臺設備的影響；

（3）機箱基座占地面積小，基座底部平面度高，平穩性好；

（4）機箱采用開放式框架結構，方便打印平臺調平和打印機的后期擴展與維護工作[6]。

對改進前后的FDM 3D打印設備分別進行打印實驗，設定目標打印件為＝40.00 mm、＝5.00 mm的圓柱，記錄兩臺設備打印出的六個打印件的相關尺寸，并進行對比分析，如表1所示。

表1 X型FDM 3D打印機改進前后的打印相關尺寸

由圖2分析可知：優化后的FDM 3D打印設備打印出的零件誤差相對穩定，離散程度較小，且誤差更接近于零值，故采用開放式鋁合金框架機箱，可以提高設備穩定性，進而提高打印精度。

圖2 改進前后設備打印件誤差對比柱狀圖

2.2 FDM 3D打印設備的運動系統機械結構優化設計及精度分析

2.1節中FDM 3D打印設備其方向二維運動運用同步帶傳動，光桿導向；方向運動運用絲杠螺母傳動，光桿導向。在打印過程中，同步帶往復運動頻繁，發熱后易產生跳齒現象[7]，導致設備振動明顯，進而影響打印精度。

（1）方向傳動裝置的優化

優化設計時FDM 3D打印設備、方向運動機構均選用滾珠絲杠、滾動螺母傳動，并配以滾動導軌導向。該傳動方式和導向裝置穩定性良好，有效避免了同步帶跳齒引起的精度問題，該結構依靠滾珠絲杠和滾動導軌較高的加工精度、剛度以及良好的裝配平行度來保證機器的運動精度。

將滾珠絲杠和滾動導軌配合使用，可有效減小噴射結構運動時的摩擦阻力，同時還能減小步進電機的負載。滾珠絲杠較于普通絲杠精度更高[8]；滾動導軌精度高，摩擦阻力小；滾珠絲杠和滾動導軌剛性好，可有效降低振動和噪音，在提高打印精度方面效果顯著。

（2）方向傳動裝置的優化

方向運動機構選用滾珠絲杠和滾動螺母傳動，光桿導向。一根滾珠絲杠和三根光桿分別安裝于設備打印平臺的四角。滾珠絲杠和光桿較高的加工精度、剛度以及良好的裝配垂直度有效保證了打印平臺向運動的垂直度和穩定性。

該結構使得滾珠絲杠和光桿受力均勻，消除了上述設備因工作臺懸臂產生的力矩。滾珠絲杠與光桿剛性、精密度良好，有效降低了Z向運動的摩擦阻力，減弱了工作臺的振動，提高了工作臺的運動精度與平穩性。

對上述改進前后的FDM 3D打印設備分別進行打印實驗，設定目標打印件為＝40.00 mm、＝5.00 mm的圓柱，記錄兩臺設備打印出的六個打印件的相關尺寸，并進行對比分析，如表2所示。

表2 圓柱打印件直徑及誤差（一）

由表2分析可得，改進后設備打印零件的尺寸誤差平均值縮小到0.10 mm，圖3表明改進后設備打印件尺寸誤差值波動范圍更小且相對平穩，可見運動系統結構優化對打印精度的提高極其重要。

圖3 2.1節設備改進前后打印件誤差對比柱狀圖

2.3 FDM 3D打印設備的打印工作平臺結構優化設計及精度分析

上述經優化的FDM 3D打印設備其打印工作平臺由三角形平臺基座和玻璃打印工作平臺構成。玻璃材質平臺易碎，不便于安裝；因玻璃光潔度高，在打印過程中，零件基層固定不牢，易產生錯移、翹曲等現象[9]，致使打印件出現明顯誤差，甚至無法成形[10]。

為提高設備的性能,本文對打印工作平臺的結構進行以下改進：

（1）選用鋁板作為打印工作平臺，鋁板強度高、擠壓變形微小，降低了機器故障時打印工作平臺的報廢率。

（2）工作平臺基座選用鏤空的矩形鋁板材，鏤空結構易于固定打印工作平臺與熱床，同時使熱床底部散熱良好，避免了預熱不均的現象。

（3）打印工作平臺表面粘貼美工紙，該美工紙具有粗糙度適宜、互換性強、價廉環保的優點，有效解決了打印件基層粘接不牢、錯移、翹曲等問題。

（4）在打印工作平臺與基座之間安裝溫度補償裝置——熱床[11]，使打印件預熱均勻，粘接牢固，減輕了錯移、翹曲等現象，提高打印件成型率。

對2.2節的FDM 3D打印設備于改進前后分別進行打印實驗，設定目標打印件為＝40.00 mm、＝5.00 mm的圓柱，記錄兩臺設備打印出的六個打印件的相關尺寸，并進行對比分析，如表3所示。

表3 圓柱打印件直徑及誤差（二）

由表3分析可得，打印工作平臺結構改進后該設備打印出的零件尺寸平均誤差減小。由圖4可知，增設熱床后，零件尺寸誤差總體呈現減小趨勢，誤差值波動稍大。故熱床的溫度補償效果顯著，對提高打印件精度起到了積極作用。觀察打印件形狀可知打印件翹曲程度改善明顯。

圖4 2.2節設備改進前后打印件誤差對比柱狀圖

3 FDM 3D打印設備的控制部分優化設計及精度分析

上述FDM 3D打印設備其控制部分選用開源的控制主板，、、方向均采用單個步進電機驅動控制，程序較為簡單。該主板能夠實現打印操作全過程，但運行過程穩定性較差，易出現故障。電流脈沖信號識別精準度低，步進電機丟步頻繁，嚴重影響了打印精度[12]。核心控制芯片運行和處理算法速度慢，影響了機器操作指令下達速度，從而降低了機器工作效率。

經改進，新設備、、方向單電機驅動的控制程序設計更加精細，優化性更好。控制板選用MPC4730 V3.0型，其核心控制芯片型號為STM32F407 VET6[13]。該控制板有如下優點：

（1）同時設置了SD卡槽和USB接口，打破了外接設備的局限性；

（2）該控制板對驅動器進行細分，提高電機運轉時對每一個電流脈沖的分辨率，以減弱或消除步進電機的低頻振動，提高設備打印精度與平穩性[14]；

（3）32位的核心控制芯片計算能力強，運行速度快，發熱現象不明顯；

（4）在算法中對電機軸運動的加速度、速度策略進行了優化[15]。

對2.3節的FDM 3D打印設備于改進前后分別進行打印實驗，設定目標打印件為＝40.00 mm、＝5.00 mm的圓柱，記錄兩臺設備打印出的六個打印件的相關尺寸，并進行對比分析，如表4所示。

圖5 2.3節設備改進前后打印件誤差對比柱狀圖

由表4和圖5可知：安裝新控制板的FDM 3D打印設備打印出的零件尺寸較接近打印目標件尺寸，絕對誤差穩定，且誤差值更小，顯著提高了打印精度。

所有優化設計工作完成后的FDM 3D打印設備實物如圖6所示。

4 結論

通過對機箱結構、運動系統結構、打印平臺結構以及控制部分進行優化設計，優化后的FDM 3D打印設備其運動系統機械結構保證了運動的平穩性；打印平臺結構的優化提高了打印件的成型率。FDM 3D打印設備的穩定性、工作效率有了明顯提升，打印件誤差波動范圍明顯縮小，誤差值趨于穩定，設備打印精度有了顯著提高。后續工作將更深入地研究溫度、運動特性、裝配質量以及打印工藝對打印精度的影響，并提出相應的優化策略。

圖6 優化設計工作完成后的FDM 3D打印機

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Optimization Design and Precision Analysisof Desktop FDM 3D Printing Equipment

ZHANG Wenjun，FANG Hui，YUAN Zelin，HUANG Jigang，DONG Xiuli

( College of Manufacturing Science and Engineering,Sichuan University,Chengdu610065,China)

There are many different kinds of desktop FDM 3D printing equipment on market now. Affected by combination of multiple factors, such as the structure stability、the melting temperature and the environmental temperature, the equipments are varied in printing precision. The paper analyzed the related factors which had bad effect on the desktop FDM 3D printing equipment printing precision ,optimized the box structure, motor system mechanical structure, motion control system, collected experimental data which represent un-optimized or optimized desktop FDM 3D printing equipment printing precision. By comparison, the experimental data turn out that the optimized desktop FDM 3D printing equipment make great progress in printing precision. And the optimization design is of practical significance to promoting the printing precision of desktop FDM 3D printing equipment.

desktop FDM 3D printing equipment；improvement of mechanical structure；motion control；resonance；precision

TP334.8

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.01.002

1006－0316 (2018) 01－0005－06

2017－05－22

國家自然科學基金（51175356）；四川大學新世紀高等教育教學改革工程研究項目（SCUY7067）

張文君（1990－），女，湖北襄陽人，碩士研究生，主要研究方向為FDM 3D打印機優化設計及FDM 3D打印耗材加工設備結構設計。

通訊作者：方輝（1973－），湖南岳陽人，博士，副教授，主要研究方向為3D打印設備開發及數控機床熱誤差分析與補償、精密加工技術及裝備等。