3D打印機的設計與制作

【摘 要】本課題旨在研究提供了一種 3D 打印機實現方案，從機械設計、固件選型、軟件開發等方面進行闡述，降低設計成本，提高研發速度，具有較高的精度和速度。主要解決上位機與處理器一起控制打印噴頭完成全方位3D打印問題，以鋁型材框架為主體，以上位機控制兩根牙條、同步帶、打印噴頭和鋼化玻璃板熱床臺面移動以完成精確的打印。上位機分別控制三個方向的移動，步進電機散熱風扇能有效防止堵頭問題，外部的散熱風扇能有效防止翹邊問題。本課題的關鍵在于提高打印機速率和精確度，適用于小批量實物打印，在校學生可以通過對3D模型設計、制作切片、打印模型的操作，提高動手實踐能力和工程加工意識。

【關鍵詞】3D打印；Arduino；mega 2560；電機控制；溫度控制；嵌入式開發

一、研究背景與現狀

3D打印技術在歐美國家長達十多年的不斷探索之下，已經發展的較為成熟，其多達二十四位色彩的彩色打印和高達25mm/h的垂直打印速率已經成功實現，在打印的精細程度方面，目前國際上較為先進的3D打印機可以保證在0.01mm的單層厚度上實現600dpi的分辨率[1]。

2015年2月，工信部、國家發改委及財政部聯合發布了《國家增材制造產業發展推進計劃（2015-2016年）》。這是首部以國家部委名義發布的增材制造產業發展計劃，進一步明確了產業發展方向，將會引爆中國的3D打印市場。3D打印技術作為智能制造的分支，有助于提離經營效率和減少材料消耗。隨著"中國制造2025"的發布，3D打印必將成為我國實現產業升級的核也技術之一[2]。

二、3D打印機原理

1.理論原理

3D打印技術是一種逐層制造技術，它采用離散/堆積成型原理，其過程是：先得到所需零件的計算機三維曲面或實體模型；然后根據工藝要求，將其按一定厚度進行分層，將原來的三維模型變成二維平面信息，即離散過程；再將分層后的數據進行一定的處理，加入加工參數，產生數控代碼；在微機控制下，數控系統以平面加工方式，有序地連續加工出每個薄層，并使它們自動粘接而成型，從而制造出所需產品的實物樣件或成品，這就是材料的堆積過程[3]。其制造過程如圖1所示：

該3d打印機的空間架構由一個橫著的矩形和一個樹立的矩形組成，以此建一個3d打印控件[4]。以x軸為長，以y軸為寬，以z軸為高來進行計算，三個步進電機分別控制x/y/z軸，這樣便可以打出一個平面，通過CAD圖，將一個3D圖看做一層層平面，則上面兩個步進電機控制z軸，這樣每打完一層上面控制z軸的兩個步進電機便向上挪一層，如此反復便可以打出一個完整的3d圖形，具體的實物圖如圖2所示。

三、主板與模塊設計

1.核心主板

Arduino Mega2560 也是采用 USB 接口的核心電路板，它最大的特點就是具有多達 54 路數字輸入輸出，特別適合需要大量 IO 接口的設計。Mega2560 的處理器核心是 ATmega2560，同時具有 54 路數字輸入 / 輸出口，16 路模擬輸入，4 路UART 接口，一個 16MHz 晶體振蕩器，一個 USB 口，一個電源插座，一個 ICSP header 和一個復位按鈕。Arduino Mega2560 也能兼容為 Arduino UNO 設計的擴展板。工作電壓 5V，直流電流 50m A，Flash Memory 256 KB。實物圖如圖3所示。

2.步進電機驅動

獨立雙向控制控制一個步進電機，它具有很高的集成度，并且能提供足夠的輸出能力，如圖 4 所示。A4988 是一款帶轉換器和過流保護的 DMOS 微步驅動器，該產品可在全、半、1/4、1/8 及 1/16 步進模式時操作雙極步進電動機，輸出驅動性能可達 35 V 及 ±2，A4988 包括一個固定關斷時間電流穩壓器，該穩壓器可在慢或混合衰減模式下工作。轉換器可驅動電動機產生微步[5]。無須進行相位順序表、高頻率控制行或復雜的界面編程。A4988實物圖、原理圖如圖4、圖5所示。

3.步進電機

步進電機是將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制電機，是現代數字程序控制系統中的主要執行元件，應用極為廣泛。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度，稱為“步距角”[7]，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的[6]。步進電機實物如圖6、圖7。

4.打印噴頭

3D打印噴頭主要由噴頭罩、噴嘴和相應的靜音耐磨自潤滑軸套、進絲調節裝置、噴頭冷卻風扇等幾部分組成，采用 12V 供電 40W 的加熱頭，具有加熱快，溫度控制精確的特點。打印耗材通過加熱頭將其融化進行層層的精密打印。

四、課題成果

本文詳細介紹了基于并聯結構的 FDM 型 3D 打印機的設計思路和工作流程，盡管國內外文獻中對于 3D的部分代碼開源，但是要么著力于講解拼裝過程或者軟件介紹，缺乏對 3D 打印實現的完整探討。該實現方式采用上位機控制方式，具有建模靈活，切片方便、運動精巧的特點，穩定高效、易于維護、擴展方便，而且該設計思路也適宜于 LINUX、WINDOWS 等常見操作系統，支持多種硬件平臺，內存占用率低，具有完備的技術支持和開源資料。

參考文獻：

[1] 余兆堃.3D 打印時代工業設計的方法研究綜述[J].文藝生活·文藝理論，2014（4）：80.

[2] 王雪瑩.3D 打印技術與產業的發展及前景分析[J].中國高新技術企業，2012（9）：3-5.

[3] 魏先福.3D 打印與印刷[J].印刷技術，2015（1）：24-25.

[4] 劉紅光，楊倩，劉桂鋒，劉瓊.國內外 3D 打印快速成型技術的專利情報分析[J].情報雜志，2013（6）：40-46.

[5] 王鑒光.電機控制系統[M].機械工業出版社，1994.

[6] 陳壁理.步進電機及其應用[M].上?？茖W技術出版社，1983：29-81.

[7] 鄒麗新，朱桂榮，陸家昌，季晶晶，董健.精密控制系統中步進電機的電細分技術研究[J].電子技術應用 2005，31 卷 05.

作者簡介：

曲萍，1987年，女，碩士，主要從事電子信息工程、電力電子，軟開關電源的研究。

（作者單位：山東英才學院）