FDM型3D打印機設計

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的細長絲狀，然后將材料一層一層疊加從3 DCAD數據內建立原型的技術。本文在介紹快速成型（FDM）打印機基本內容的基礎上，重點介紹了它的運行機制和機器結構，還對他的結構進行了詳細的分析。自制的FDM 3D打印機遵循3D打印機的標準設計思思路同時，設計人員可以在實踐中不斷修改和優化設計方案，以滿足創新和創新的需要。

關鍵詞：3D打印機；FDM技術；快速成型

目前，以3D打印為技術核心的“第三次工業革命”在全世界興起了一股數字化制造業的熱潮，隨著中國等一批新興國家不斷向該領域進軍，發達國家對3D打印技術的獨導地位正在不斷的減弱。本文主要介紹3D打印機的工作原理及性質，進而分析其結構組成，側重研究分析機械部分三維打印端頭的結構和影響打印端頭精度的因素。最后結合電機的運動規律與機床的運動機構，設計出最完善的方案并制作成型。

1 FDM型3D打印機打印原理及結構分析

1.1 打印原理及過程

原理：快速成型技術的基本原理是先用軟件畫出產品的三維CAD模型，以設定好基本參數，取合理的的厚度對模型進行切片處理，即將3D模式轉化為一步步的指令，一層層執行。機器加熱噴頭根據每一層的二維截面信息進行移動，送絲機構將絲材送往噴頭，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表面，然后在工作臺上降溫固化。，形成模型的一層。打印結束后，工作臺面就會降低與該層厚度大小相同的高度。之后一直按照這個過程重復打印，直到整個實體模型完成打印為止。

過程：CAD三維建模→CAD模型的近似處理→切片處理→造型→后處理

1.2 結構分析

框架設計分析：采用了鋁型材組裝了打印機的基本框架。通過三軸聯動平臺、步進電機運動滑塊、傳動絲杠、導向光桿等部件組成基礎傳動系統，滿足打印機在X、Y、Z三個方向的運動控制。

電路設計分析：3D打印機的電路部分非常重要，此電路控制機器的的整個運行過程。路線主要由以下三個主要部分構成：Arduinomega 2560主控制板、步進電機驅動板和Ramps1.4膨脹板。可滿足機器大量IO接口的設計需求，并且能更好的使各部件進行連接和控制。也增強了機器容錯率。

軟件設計分析：3D打印機包括上位機軟件和下位機軟件。打印機的主控板對各參數的設置及控制通過軟件的運行實現。在本機器中主要選用：下位機軟件Marlin固件、上位機切片軟件Slic3r、上位機打印控制軟件Pronterface。以上軟件的組合使用，能夠是的機器在使用的過程中體現更好的性能與流暢度。

2 主要零部件選擇、電路測試

（1）電機的選擇：電機控制系統一共可分為2種電機。它們分別是伺服電機和步進電機。本文設計的快速成型（FDM）打印機UI步進電機配合更為合適。步進電動機能滿足快速成型（FDM）3D打印機基本使用情況下都需求兩相四線的42步進電機，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。本臺機器由于不過度追求速度因此選擇單擠出頭更為合適，按照有差異的應用環境以及實踐狀況本裝置選擇0.4mm的噴嘴。

（3） 送絲機構的選擇：3D打印機送絲機構能夠分為遠端和近端兩種。本機構需要一定的打印速度和精準度故選擇了遠端送絲結構作為機器的送絲機構。

（4）電路測試：測試準備：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數據線和12V電源。啟動Printurn上位機軟件。mega2560在接通電源的開始的時候，RAMPS板子上的第一個LED綠燈燈會閃動幾次。這就表明了mega2560板子里的固件已經在運轉。

啟動上位機之后，應用正確的串口，調用波特率為250000，再點擊connect。若正常。圖形操作區變成高亮。溫度線旁邊的watch選項勾選。檢測溫度是否正確，若檢測的溫度與室溫相當，表明連接正確。若為0，則體現連接失敗，要進行檢查任務。完成上步后就是測試三個輸出端。分別在”Heat”和”Bed”旁點擊”set”按鈕，并在右下部位輸入M106 S255 來打開風扇。若在這個時分RAMPS1.4上亮起了三個紅燈，這就表明輸出端測試順利完成。輸入M107可關閉風扇。

步進電機的檢測，第一步需要斷開機器的電壓源，然后把型號為A4988的驅動板與Ramps1.4向連接。在此檢測環節一定要有一個電機進行檢測，通常情況下可使用萬用表的200歐姆測電阻對電動機兩端連接檢測。按次電機線紅、藍、綠、黃連接。完成連接之后，接通電源，利用Printurn上位機軟件使其轉動。若先將電機裝在X軸上，則按動X軸的+方向操作，這時電機會往正方向進行轉動。若電機方向操作，電機則進行反轉。在不同軸上重復上述的操作。

3 打印機的組裝及打印運行

（1） 打印機的組裝包含：角件與電機安裝、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）打印機的測試白喊：三軸步進電機進行測試、測試限位開關、測試擠出頭風扇、測試擠出頭加熱、擠出頭入料測試。

參考文獻：

[1]張楠，李飛.3D打印技術的發展與應用對未來產品設計的影響[J].河北石家莊：河北科技大學藝術學院，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策[J].南昌大學學報，2007，29（3）：252256.

基金項目：浙江省高等教育教學改革研究項目，項目編號：jg20160265

作者簡介：第一作者胡健（1991），男，漢族，浙江金華人，助教，工學學士，研究方向：機械工程；第二作者邱鵬飛（1986），男，漢族，江西撫州人，講師，工學碩士，研究方向：機電一體化。