FDM 型3D 打印機的設(shè)計與優(yōu)化

沈 林 王圖南 周佳愷*

（正德職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程系，江蘇 南京211106）

隨著更多材料制造技術(shù)的發(fā)展，使用熔融沉積成型技術(shù)的3D 打印機（“FDM”）由于其環(huán)境、成本低和相對成型速度，在各個領(lǐng)域廣泛使用。然而目前市場上的FDM型3D 打印機質(zhì)量不一，普遍存在著精度不夠，材料擠出不穩(wěn)定等問題。優(yōu)化機械結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)是FDM型3D 打印機下一步的發(fā)展方向[1]。

本文設(shè)計了一種新型的桌面級的FDM型3D 打印機。打印機的機械結(jié)構(gòu)單元使用組合的Y 軸和Z 軸獨立運動設(shè)計方案，以及使用Arduino 2560 作為打印機的軟件控制系統(tǒng)。該3D 打印機結(jié)構(gòu)簡單、承重力強，控制性好、代碼開源等優(yōu)點，在控制成本的情況下，有效地提高了打印精度，縮短打印時間。

1 打印原理

首先，使用計算機輔助設(shè)計軟件設(shè)計出需要打印的三維模型的尺寸及形狀；然后在切片軟件中載入該模型，調(diào)整模型與打印平臺的位置關(guān)系，設(shè)置模型切片厚度；最后由主控芯片將信息打印出。接收到控制信息后，3D 打印機的電機控制打印頭回到初始位置，熱床、擠出頭開始通電加熱；加熱完成后，擠出頭根據(jù)切片信息進行移動，并且打印材料加熱后熔化，由噴嘴中擠壓成型，打印出來逐漸形成模型的一層。打印過程如圖1 所示。

圖1 3D 打印機原理圖

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文設(shè)計的3D 打印機的框架采用XYZ 結(jié)構(gòu)，噴嘴機構(gòu)在X 軸上運動，工作平臺在Y 和Z 軸方向運動。在X、Y 和Z 方向使用步進電動機來執(zhí)行運動控制，連接球螺釘以提供高分辨率驅(qū)動，并減少由于齒輪驅(qū)動而產(chǎn)生的形狀和位置誤差[2]。由X、Y、Z 軸三軸移動步進電機，噴頭，冷卻風(fēng)扇，打印耗材等機構(gòu)，由驅(qū)動控制板驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)，通過同步帶、光軸、絲杠等機構(gòu)相互配合，完成平移、升降以及打印動作其中，打印機支撐架構(gòu)采用鋁型材料，用鋁制角件作為底板基座，從而保證打印機的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及良好的承載能力。擠出模塊主要由螺桿、料筒、料斗、模具等組成。成形材料通過擠出模塊融化，由螺桿頭連續(xù)擠出。

2.2 裝配精度優(yōu)化

熔融沉積原理性誤差之一是工作臺的結(jié)構(gòu)誤差，打印機整體剛度和裝配精度影響著3D 打印機的成型精度。其中，機架結(jié)構(gòu)是整個機器所有零部件安裝定位的基準(zhǔn)，機架部分在材料選擇上要具備足夠的剛度和強度。同時，連接部位的零件也應(yīng)考慮到溫度或承載的影響，以免產(chǎn)生較大的變形[3-4]。

因此，本文設(shè)計的3D 打印機機架結(jié)構(gòu)的材料選用了2020型標(biāo)準(zhǔn)鋁型材，同時采用了高精度的直角支撐連接件作為機架連接裝配的連接件，以保證機架位置的精度。同時，采用了可調(diào)節(jié)軸承座，從而獲得較高的位置精度。在此基礎(chǔ)上，對整體機架以及運動軸的檢驗，確保主體框架的平行度、垂直度達到0.02mm，使打印成型精度具有可靠的幾何精度保障，如圖2 所示。

圖2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

硬件控制系統(tǒng)是三維打印機的核心部件之一，其功能包括數(shù)據(jù)處理、運動控制、擠壓控制、溫床溫度控制。等.三維打印機的結(jié)構(gòu)使用圖3 所示的上行鏈路和下行鏈路控制模式系統(tǒng)設(shè)計。

圖3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1 主控芯片

作為目前全球使用最廣泛的開源硬件，Arduino能實現(xiàn)簡單快捷的連接各類傳感器及拓展硬件獲得輸入信息，然后經(jīng)過處理輸出控制信息，從而控制各類裝置[5]。通過Arduino的編程語言來編寫程序，編譯成二進制文件，燒錄進微控制器。在3D打印機領(lǐng)域，常用的程序包括Sprinter 固件、Marlin 固件及Repetier-firmware 固件。其中，Marlin 固件具有許多優(yōu)點，支持預(yù)加速功能、支持圓弧、為了使PID溫度控制更加準(zhǔn)確，對溫度進行多重采樣，自動調(diào)節(jié)溫度等。因此，本文設(shè)計的3D 打印機選用Arduino2560 作為主控處理器，控制程序選用Marlin 固件。

3.2 步進電機及驅(qū)動器

此外，其旋轉(zhuǎn)速度不受負載大小的影響，而普通電動機在負載增加時速度下降，而步進電動機則支持細節(jié)距離角允許精確的控制。為了保證打印精度與效率，對于X軸、Y軸、Z軸的驅(qū)動電機以及擠出頭模塊的電機均選用42 步進電機。步進電動機必須由步進電動機控制，步進電動機驅(qū)動裝置可以將由控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號轉(zhuǎn)換為步進電動機的角位移。本文選用了A4988 電機驅(qū)動器。這是一款完全的微步電動機驅(qū)動器，帶有內(nèi)置轉(zhuǎn)換器，易于操作。該產(chǎn)品可有多種驅(qū)動模式可以選擇，能夠選擇合適的模式提高打印精度。

3.3 步進電機驅(qū)動優(yōu)化

定位誤差屬于熔融沉積原理性誤差，而步進電機的運行會產(chǎn)生振動，從而影響擠壓頭及工作平臺的位置。因此，有必要減少步進電機在工作中產(chǎn)生的振動。

本文采用細分步進電機的步距角的方法來減弱步進電機的振動。具體方法是：將步進電機驅(qū)動芯片A4988 設(shè)置為1/16 驅(qū)動細分。通過細分驅(qū)動，步進電機旋轉(zhuǎn)一周所需的脈沖個數(shù)變?yōu)樵瓉淼?6 倍，從而能夠緩慢地改變步進電機轉(zhuǎn)子的力，使得轉(zhuǎn)子的運行變得更加連貫光滑。通過對步進電機驅(qū)動的優(yōu)化，實現(xiàn)伺服系統(tǒng)精確控制。

圖4 樣機

4 結(jié)論

本文針對FDM型3D打印機進行設(shè)計開發(fā)，主要包括機械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)，并優(yōu)化了整機裝配精度和伺服控制，樣機如圖4 所示。該3D 打印機結(jié)構(gòu)簡單、承重力強，控制性好、代碼開源等優(yōu)點，在控制成本的情況下，有效地提高了打印精度，縮短打印時間。