基于教學使用的FDM型3D打印機制作

王克 劉遠 常太明

摘 要：3D打印技術理論與實踐的結合應通過有效載體進行推廣。從FDM型選擇、理論學習與研究、樣機設計與制作，總結了3D打印技術應用于教學使用過程中的理論、實驗，以及制作可行性，滿足課堂教學、實驗實踐的需求，有利于3D打印技術在高校的學習推廣。

關鍵詞：FDM型3D打印機；制作；教學

1 緒論

隨著我國工業發展要求的不斷提升，3D技術已逐步受到社會和高校科研師生的關注。全國第九屆大學生結構設計大賽分賽段裝配式橋梁結構模型制作，明確進行了應用3D打印機虛擬制作環節；3D動力大賽機械產品賽事也逐步從模擬三維造型向3D打印實物要求逼近，等等。[1]

本文項目研究組初衷是基于教學研全方位了解、認知一臺3D打印FDM型機器。隨著項目進程的不斷學習和參加創新活動不斷深入，也越發體驗到制作和運行機器，對復雜的3D打印知識掌握具有非常直觀有效的學習作用，更具有在大學生開展3D打印教學研初級階段快速掌握基本知識框架的現實意義。

2 3D打印FDM型選擇

FDM全稱Fused Deposition Modeling，即熔融沉積成型技術，其工作過程為：計算機建模后，轉換輸入打印機控制器，控制器協同打印機噴頭，將絲狀材料融化噴出，根據噴頭與工作臺、步進電機等協同，層層打印形成三維實體。

選擇FDM型一方面根據大學生教學使用，它具有設備成本低、原料高效無污染、器械及試驗輕便等優點；一方面是3D打印領域其它類型選擇所需投入機器成本、場地和環境要求等，高校教學或大學生創新實踐都不能較好適應。

當前市場和高校的3D打印機，FDM型常見主要類型有三種：三角洲3D打印機、i3打印機、Makerbot 3D 打印機。[3]根據教學使用為出發點，每種打印機都在設計方面具有自身獨特的優勢，但也存在其教學研究等領域狹小的不足。因此，綜合各打印機情況，創新開發具有自身特點的教學多用途打印機變得尤為重要。本文項目研究組通過調研與研討，制作一臺基于教學使用的FDM型3D打印機作為課題項目進行了組隊研發。

3 教學使用FDM型3D打印機結構設計

一臺機電產品都有自身通用的要求，包括框架安全性能、傳動動力控制、打印控制系統、噴頭平臺設計等。經調研與研討，FDM成型要求所具備的傳動動力、傳動方式、運動方式等，在三角洲3D打印機、i3打印機、Makerbot 3D 打印機上都根據自身結構特點選擇了適合的方式呈現，其最大區別在于運動方式的不同而對其進行了區分。

從教學使用和打印實踐來看，本次設計一方面要嘗試傳動方式的改變，由帶傳動改為齒傳動；另一方面要嘗試在打印實踐方面改進打印精度，進行噴頭裝置控制配合的新方法。

3.1 外支撐框架設計

熔融沉積打印機有很多種類型，其中最常見的有兩種類型[4]：

類型1：笛卡爾3D 打印機

它由三個導軌組成，沿著笛卡爾平面的軸線運動。選擇控制笛卡爾3D 打印機的運動是相當簡單的機械和軟件，因為只有沿著軸線直線運動。現在市場上的3D 打印機大多數使用笛卡爾系統。

類型2：Delta 3D 打印機

它通常由三垂直導軌組成，其運動是通過他們上下移動的。它們直立在三角形結構中。擠出機連接到這些導軌與三臂，由于運動比較復雜，因此很難以找到打印機的頭部位置。Delta 打印機在業界和3D 打印消費群體中越來越受歡迎，這是因為這種打印機可以更快的打印模型，而且比笛卡爾坐標的打印機更加緊湊。

在參考兩種類型結構的基礎上，團隊調研研討構架出設計三維如圖1示。

三維構圖3.1兩個立起來的絲杠是我們所使用笛卡爾坐標系中的Z軸，另外一個絲杠就是Y軸，從這兩個軸建成一個平面，把噴頭運動方向建為X軸并垂直于Z軸，這樣笛卡爾坐標就構建完成，外支撐框架設計構圖完成。

3.2 噴頭平臺設計

由熔融沉積打印機的原理可知，它是由熔絲慢慢的擠出，然后一層一層的堆積成型，熔融沉積打印機可以通過降低層高和使用直徑較小的噴嘴，在一定程度上提高精度。雖然這些方法提高了精確度，打印表面還是有不平行的問題出現。[5]并且在打印過程中，當改進精確度時，打印機是通過降低層高度或使用噴嘴直徑越小，零件的打印時間就會延長。綜上所述，利用一桿多噴頭的方法，從而達到每次擠出都會變小，減少每一層的間隙，得到精度的提高；多噴頭工作減少時間消耗，噴頭平臺設計雛形完成（見圖2）。

3.3 傳動動力控制設計

與傳統動力控制不同，本次3D打印機動力控制主要采用步進電機控制所有的軸和擠出機。從動力學來看，步進電機需要完成軸運動和擠出機噴頭兩個運動，因此需要選擇兩個電機，或進行理論與實驗選擇一個電機。

步進電機是由一個多齒的磁性齒輪驅動的，在定子中有裝有相應齒的電磁鐵連接到馬達的轉子。軸運動階段的拉扯和推擠，選擇適合齒輪的牙以不同的力，得到多個齒步就可完成。而擠出機所連接的噴頭就需要配合噴頭運動進行實驗完成匹配。

選擇擠出機的步進電機還需要考慮所用噴嘴的直徑。通過理論研討和實驗設計，我們找到了比較符合的三種步進電機，這三種電機的型號為JK42HS34.1334A、SM.42BYG011.25、42BYGHM809，根據線材向下運動要考慮到步進電機的步進角，還有扭矩，團隊實驗后數值如下表所示。

根據上表實驗數據，結合選擇噴嘴的直徑和控制軟件，型號為SM.42BYG011.25的步進電機最符合整體設計所需。

3.4 打印控制系統

本次設計教學使用的3D打印機FDM型起初選擇了市場較為穩定的Mega 2560控制板，但鑒于多噴頭兼容性及后期擴容等實際問題，樣機改選為RepRap 奧梅羅德使用的一個開源的控制器板Arduino 的微型控制器與四A4892 步進驅動器，該控制系統傳輸是以以太網、高速 SD 卡插槽、高電流 PWM，12A 35v 直流電源輸入和其他組件兼容，這樣A4892 步進驅動器進入1/16 微步，提供了更高精度。

3.5 樣機組裝

本文項目研究組所呈現的是一臺基于教學使用的3D打印FDM型樣機設計，打印材料使用PLA；該打印機主要由控制板、打印驅動及電機單元、機械運動單元、打印噴頭、反饋檢測單元、打印零件分層程序等組成；該打印機可以用來制作模型及機械等各種零部件。

（1）主要設計參數：

工藝選用：FDM

外框尺寸：400*400*360

工作尺寸：200*200*150

打印噴頭：單打印頭

耗 材：PLA

（2）重要組裝及原因分析：樣機框架材料采用用的是2020的鋁型材，使用2020鋁型材是因為此型材的承重和3D打印機外框的安裝是最合理的型材；打印平面采用的是200*200*150的打印空間，外框材料尺寸選擇了400mm長的鋁型材兩個，360mm長的鋁型材兩個，組裝為400*400的3D打印機的平面支架；在360mm的兩鋁型材上安裝T型立式鋁合金支架用來支撐Y軸，Y軸的運動路線和距離就確定了；在400*400的平面支架上的400mm的鋁型材上還要安裝兩個Z軸的電機支架，樣機組裝后如圖3所示。

4 制作中遇到的困難

制作教學使用的3D打印機FMD型，原期望解決的傳動方式由齒動替代皮帶輪動，鑒于實驗中的齒動不穩定性，改為了一機帶多動的處理方式，但仍采用了皮帶輪動的傳動方式。

為追求打印精度，所制作的3D打印機把噴嘴的直徑變小，對打印件的精度是變高了，但是對于這種熔融沉積的打印機的打印速度反而拖慢了。

為提升打印速度，期望用多噴頭疊加來減少耗時，而在編程過程中，目前通用軟件無法完成一控多的現狀，對于這個問題還是有待研究。

5 結語

制作過程中，本文項目研究組主要研究了基于FDM型的3D打印技術。目前市場和科研單一的劃分三種平臺設計類型，在本樣機設計中有了較好的相互借鑒：一方面，通過FDM型的3D打印技術理論分析，從噴頭設計、成型精度提升設計等方面進行融合；另一方面，運用步進電機的理論與實驗數據相結合，對傳動系統進行了部分改良，最后通過整體設計需要，完成框架、材質、控制器等系列建模的裝配工作。

作為認知和熟悉3D打印技術的一種方法，本文項目研究組通過理論學習、整體構架、解決實際問題等方式，掌握了FDM型3D打印機從無到有的整個過程。它有利于師生培養3D打印技術的學習研究興趣，有利于團隊著手準備下階段研究內容，更有利于舉一反三開拓3D技術其它類型的可能性。而作為第一手資料，通過總結與教學分享，更有利于3D技術在大學課堂和實驗室的推廣。

參考文獻：

[1]張萍，閆宇，等.3D打印機在高校土木工程教學中的應用探討[J].山西建筑，2016（15）：229.230.

[2]郭遵站.小型3D打印技術研究[D].長春理工大學，2014.

[3]郭振華，王清君，郭應煥.3D打印技術與社會制造[J].寶雞文理學院學報（自然科學版），2013（04）：64.70.

[4]王龍.基于熔融沉積技術的金屬3D打印機研制[D].南京郵電大學，2016.

[5]謝卓.熔融沉積成型精度分析及工業參數研究[D].合肥工業大學，2016.

項目：本文為江蘇省高校大學生創新訓練項目：3D打印FDM型樣機研制（項目編號201713101006Y）階段性成果之一

作者簡介：王克，男，在讀學生；劉遠，男，在讀學生；常太明（1982.），男，河南延津人，大學學歷，講師，主要研究方向：創新創業教育。