FDM型義齒3D打印機設計與實現

2018-04-25 07:37:16丁承君尹雷鵬

實驗技術與管理 2018年4期

丁承君, 尹雷鵬

(河北工業大學機械工程學院, 天津 300130)

3D打印技術是20世紀80年代興起的一項新的技術,在國內外得到了迅速的發展[1-2]。3D打印成型技術與傳統的制造業相比,有很多獨特的優勢[3],其在醫療領域的應用更是最近幾年研究的一個熱點,人的骨骼、牙齒等都是個性化的“產品”,用3D打印技術進行修復是很有前景的。現有的熔融沉積成型(fused deposition modeling,FDM)工藝的漿料3D打印機由于存在打印質量低等缺陷,有人使用面粉、巧克力等材料用于食品的打印[4],很少有人用于義齒、骨骼等模型的打印。本文提出一種FDM型的義齒3D打印機的設計與實現方法,用二氧化鋯材料可實現義齒模型的打印。

1 機械結構與電氣組成

1.1 機械結構

機械結構采用Hbot型結構,該結構由于其獨特的傳動方式,可以在保證打印質量的同時減輕運動機構的負載,從而可提高打印速度,并且結構簡潔、打印占比高。

現有的一些陶瓷漿料3D打印機的擠出系統一般用注射泵或氣泵等,不能實現打印機的連續供料,并且不能精確地控制漿料的擠出和停止。本文采用氣泵和螺桿組合的送料機構,氣泵用于給儲料罐提供壓力,螺桿用于漿料的擠出,該機構保證了連續穩定的進料,并且通過螺桿可實現漿料的精確擠出、停止。最終設計的機械結構實物圖如圖1所示。

圖1 3D打印機機械結構實物圖

1.2 硬件系統組成

為了獲得更快的處理速度,提高打印機的打印精度[5],選用以ARM Cortex-M3為內核的STM32F103ZET6微控制器芯片作為主控制器,完成各個外圍模塊的協調工作。控制系統硬件框圖見圖2。STM32通過讀取預先存在SD卡里面的G代碼控制指令來打印相應的模型；限位開關安裝在x、y、z軸末端,用于坐標系的初始化；可以通過屏幕或上位機進行人機交互,控制打印機執行相應的命令；電機驅動芯片采用DRV8825的微雙極步進電機驅動器,可在整步、半步、1/4步、1/8步、1/16步、1/32步細分[6]模式下操作步進電機；氣泵采用繼電器控制器通斷。

圖2 3D打印機控制系統硬件框圖

2 運動控制、自動調平與擠出量的標定

2.1 運動控制

FDM型[6]3D打印機典型的機構類型有Reprap、makerbot、Delta等,其運動控制算法也比較成熟。對Hbot結構的3D打印機其控制算法研究比較少。

圖3 Hbot結構傳動原理示意圖

Hbot機構傳動原理見圖3。當M1電機或M2電機單獨轉動時,其擠出系統運動方向為x1方向或y1方向,與x軸和y軸所構成的夾角為π/4[7],如圖3所示。該機構運動坐標系相當于笛卡爾坐標順時針轉動了π/4。為了方便控制,需找出機構位移量和步進電機所需脈沖數的關系,經分析有如下關系式：

(1)

(2)

其中,SM1、SM2分別為電機M1、M2的脈沖當量,nM1、nM2分別為電機M1、M2運動需要的脈沖數。

打印機工作時需要控制x、y、z方向的運動電機、驅動螺桿電機和氣泵幾個動作單元協調動作。本文在基于Bresenham 直線生成算法的基礎上改進了一種算法,以實現協調運動、均勻出料。

Bresenham直線生成算法起初是計算機圖形學中繪制直線的一種經典算法[8],后來被應用于數控領域,成為一種高效率的脈沖增量插補算法[9]。打印機打印時運動距離和擠出絲的長度都可以解算為電機所接受的脈沖數,打印時讀取相應的路徑段，并解算為各個電機軸的脈沖數,把脈沖數最多的軸設為基本軸[9],標定基本軸,并設置變量E_flag,用來標定相應路徑段是進給,還是空走,如果該路徑是進給，設E_flag=1,空走E_flag=0。設在某路徑段各軸所需脈沖數為ni(i=x,y,z,e，e表示送料軸)，其中打印時Z0和Z1電機運動方式相同,可以看做一個運動軸),基本軸所需脈沖數為nmax,則該插補的判定條件[10-11]為:

程序每次進入中斷執行單元,基本軸輸出脈沖信號,其余軸根據判定條件輸出或不輸出,并根據變量E_flag設置氣泵的通斷狀態。通過這種方式可達到5個步進電機、1個氣泵協調動作,均勻擠出。

2.2 打印平臺自動調平

目前大部分FDM型的3D打印機打印平臺的調平方式都是人工手動調平[12-13],這種方式步驟繁瑣,并且精度比較低。為了提高打印質量,保證打印的穩定性,使用步進電機作為調平動作單元,結合螺桿傳動,實現打印平臺自動調平,通過步進電機驅動器細分驅動可實現步距角為0.056 25°的微調。

調平方法如下:首先根據機械結構設置2個升降點的坐標位置,編寫打印機運動校正路徑。為了使打印機不發生機械碰撞,編寫校正路徑時在打印原點的位置噴頭上升10 mm,然后依次經過各個校正點。噴頭到達校正點上方后,控制打印機噴頭下降的過程中開始在程序中斷執行單元對產生的脈沖數進行計數,直到限位傳感器被觸發。通過比較在校正點采集的脈沖數進行高度的校正,最后回打印零點,完成校正。

2.3 標定擠出量

現在比較成熟的FDM打印機打印材料一般為絲狀PLA、ABS等,Simply3D、Cura等開源的切片軟件對其擠出量的參數都有較好的設定。由于本文所用材料為二氧化鋯,與PLA的材料特性不同并且打印機擠出系統結構不同,其擠出量有很大的差別。經研究在0.4 mm噴頭、用直徑為1.75 mm的PLA材料的情況下,打印時xy軸運動距離和擠出軸進絲距離大概為20∶1,在該擠出量的基礎上通過打印測試對擠出量進行校正。經測試,二氧化鋯的擠出量為PLA擠出量的35%時打印質量比較好。