基于Marlin固件的膏狀體3D打印研究*

伍文進，徐中云

(徐州工程學院，江蘇省大型工程設(shè)備裝備檢測與控制重點實驗室，江蘇 徐州 221008)

0 引 言

3D打印技術(shù)又稱三維快速成型技術(shù)，其最突出的優(yōu)點是無需機械加工或模具，就能直接由計算機圖形數(shù)據(jù)生成任何形狀的物體，從而極大地縮短產(chǎn)品的研制周期，提高生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。該技術(shù)是依據(jù)三維CAD設(shè)計數(shù)據(jù)，采用離散材料(液體、粉末、絲、片、板、塊等)逐層累加原理制造實體部件的技術(shù)。相對于傳統(tǒng)的材料去除(如切削等)技術(shù)，增材制造是一種自下而上材料累加的制造工藝[1-3]。

熔融沉積制造(FDM)是現(xiàn)今使用最廣泛的一種快速成型技術(shù)，熔融沉積制造設(shè)備簡單、成本低、易于操作，特別適用于科研、教學等用途。該技術(shù)有以下優(yōu)點：①在生產(chǎn)過程中按需噴出，不會產(chǎn)生材料浪費；②加熱溫度較低，不會產(chǎn)生毒氣、化學物質(zhì)和粉塵；③一個產(chǎn)品中可運用多種打印材料，如傳統(tǒng)的聚合物：聚碳酸酯，聚苯乙烯，ABS等，還包括金屬，陶瓷和生物相容性材料；④熔融成形部件強度好，可作為功能部件使用；⑤無需激光器等貴重元器件，系統(tǒng)成本低。缺點是成型精度低，成型速率較慢，不適合大型部件的構(gòu)建[4-6]，尤其是耗材必須是絲狀耗材，對膏狀體材料無能為力。為了能實現(xiàn)膏狀體打印，文章通過計算擠出電機轉(zhuǎn)動一周所用兩種耗材的體積比，修改開源固件Marlin相關(guān)數(shù)值，定制切片軟件Repetier host相關(guān)參數(shù)，實現(xiàn)了FDM技術(shù)下膏狀體打印的功能。

1 FDM技術(shù)原理

如圖1所示，F(xiàn)DM技術(shù)工作的原理是先將材料制成絲狀并纏繞在耗材盤上，通過送絲機構(gòu)送入噴頭的內(nèi)腔并在噴頭內(nèi)被加熱熔化，噴頭在計算機控制下沿部件截面輪廓和填充軌跡運動，將熔化的材料擠壓到工作臺上，材料擠岀后迅速固化，形成了工件的截面輪廓，并與周圍材料黏結(jié)，通過層層堆積成形，最終完成部件制造[7]。

圖1 熔融沉積制造工藝過程示意圖

耗材擠出是FDM技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)之一，擠出力過小會導致“啃料”現(xiàn)象，常用的絲狀耗材送絲機構(gòu)一般采用齒輪+軸承(見圖2)、齒輪+齒輪(見圖3)兩種方式，其中雙齒輪送料方式更可靠，擠出力強，常用于Prusa I3結(jié)構(gòu)中。

圖2 齒輪+軸承擠出 圖3 齒輪+齒輪

2 利用FDM工藝進行膏狀體打印的思路

FDM技術(shù)是通過G代碼程序控制噴嘴在XYZ構(gòu)建的三維坐標系運動同時穩(wěn)定的下送絲狀耗材[8]。根據(jù)絲狀耗材的直徑可計算出周長，并由送料長度可計算出擠出電機轉(zhuǎn)動一周所用耗材體積，將絲狀耗材更換為膏狀體材料時，則需準備一個標準體積且有出入口的容器，如針筒，根據(jù)該容器的體積和長度可計算出活塞運動1mm的體積，再由活塞所聯(lián)結(jié)的絲桿導程，可計算出擠出電機轉(zhuǎn)動一周所用的膏狀體材料體積，根據(jù)絲狀耗材與膏狀體材料的體積比，進行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置，即可實現(xiàn)膏狀體打印功能。

2.1 模型設(shè)計與裝配

膏狀體打印擠出裝置的裝配圖如圖4所示。其中步進電機為保證良好的扭矩，可選擇減速電機。

圖4 針筒裝配模型

針筒裝配模型需要安裝在具有X、Y、Z三軸運動的數(shù)控機床結(jié)構(gòu)中，才能實現(xiàn)打印功能，我們采用結(jié)構(gòu)較為簡單的龍門式3D打印結(jié)構(gòu)，最終裝配的機械模型如圖5所示。步進電機用于驅(qū)動推桿向下運動，針筒容量大約為60 mL用于盛放需要打印的膏狀體材料。打印開始時在步進電機的驅(qū)動下，絲桿與絲桿螺母運動，推動推桿向下運動使針筒產(chǎn)生較大的壓力，迫使膏狀體從噴嘴流出，并通過打印平臺的加熱裝置實現(xiàn)固化。

圖5 Prua i3結(jié)構(gòu)膏狀體打印的裝配模型

2.2 計算方法與過程

計算方法：以絲狀耗材擠出為基礎(chǔ)，與膏狀體打印體積進行對比，求得電機轉(zhuǎn)動一周的耗材體積量的比例，從而在軟件參數(shù)中設(shè)置正確的流速比。

2.2.1 單位脈沖計算

耗材按設(shè)定的速度擠壓下推，此參數(shù)計算很關(guān)鍵，如未能計算正確的情況下，會出現(xiàn)推料速度過快或過慢，過快會導致噴嘴堵料，而過慢則會造成滴料現(xiàn)象。如圖6所示，設(shè)擠出齒輪直徑為10 mm，絲狀耗材直徑為1.75 mm，則周長C應(yīng)為：

圖6 絲狀耗材擠出結(jié)構(gòu)示意圖

C=πd=3.14×10=31.4 mm

假設(shè)步進電機步距角為 1.8°，細分數(shù)為1/16，則旋轉(zhuǎn)一周需要的脈沖信號數(shù)量應(yīng)為：

則每送料1 mm，就對應(yīng)的脈沖信號應(yīng)為：

2.2.2 流速比計算

(1)齒輪擠壓推料體積計算

以齒輪直徑10 mm為例，其每周擠出體積量計算如下：

絲狀耗材直徑為1.75 mm，齒輪轉(zhuǎn)動一圈的周長為：

C=πd=3.14×10=31.4 mm

耗材截面積為：

因擠出齒輪與擠出電機為1：1同步運動，因此擠出齒輪轉(zhuǎn)動一周，所耗耗材體積量為：

V齒輪=S×C=31.4×2.404=75.485 6 mm3/r

(2)活塞擠壓推料體積計算

如圖7所示為60 mL針筒模型，長度為90 mm，與之聯(lián)接的四頭T型絲桿螺距為2 mm，導程為8 mm，則電機軸轉(zhuǎn)動一周，針筒活塞上升或下降2 mm。

圖7 針筒模型

活塞移動1 mm對應(yīng)的膏狀體耗材擠出體積為：

則活塞移動2 mm對應(yīng)的膏狀體耗材體積為：

V針筒=2×0.666 7=1.333 3 mL/r

由于1 mL=1 000 mm3，因此V針筒=1 000×1.333 3 mL=1 333.3 mm3。

電機軸轉(zhuǎn)動一周，齒輪擠出送料體積與活塞擠壓送料體積比計算如下：

2.3 固件設(shè)置與切片軟件設(shè)置

2.3.1 MARLIN固件設(shè)置

通過Arduino軟件打開開源Marlin固件marlin.ino文件后，進入configration.h選項卡，如圖8所示。

圖8 Arduino界面

(1)MARLIN固件中configration.h選項卡中查找到耗材直徑設(shè)置項，確認耗材設(shè)置為1.75 mm。

#define DEFAULT_NOMINAL_FILAMENT_DIA 1.75//耗材直徑設(shè)置項

(2)查找擠出最小溫度設(shè)置項，考慮到冬天氣溫低，可適當設(shè)置低一些，如設(shè)置為-15。

#define PREVENT_COLD_EXTRUSION

#define EXTRUDE_MINTEMP-15//擠出最小溫度設(shè)置項

(3)查找到定義軸運動單位項：#define DEFAULT_AXIS_STEPS_PER_UNIT {X，Y，Z，E}，該設(shè)置項分別為X、Y、Z進給軸與擠出齒輪運動值，其單位為脈沖/mm，將此時的E值修改為102。

#define DEFAULT_AXIS_STEPS_PER_UNIT{ 80, 80, 400, 102 } //定義軸運動單位項

2.3.2 Repetier-Host切片設(shè)置

(1)“材料”選項按如圖9所示進行設(shè)置

圖9 材料設(shè)定

①材料直徑設(shè)置為1.75 mm；②流速設(shè)置為56.6%；③打印溫度因為膏狀體無需加溫，此時設(shè)置為0 ℃;④根據(jù)膏狀體的固化特性，可將熱床溫度設(shè)置為0～120 ℃。

(2)“擠出頭”選項按如圖10所示進行設(shè)置

圖10 擠出頭設(shè)置

①名稱：膏狀體;②直徑(擠出頭出口直徑)：3.5 mm。

(3)“G-代碼”選項中的“開始G代碼”與“結(jié)束G代碼”按圖11、圖12進行設(shè)置。

圖11 開始G代碼 圖12 結(jié)束G代碼

2.3.3 修改G代碼

G代碼是數(shù)控程序中的指令，通常稱為G指令。在減材制造中，數(shù)控程序可以替代人工控制機床運動，完成切削加工。在增材制造中，數(shù)控程序則是用來控制打印機運動完成對零部件的打印，其中最為常見的指令就是G代碼。切片軟件的功能就是將需要打印的模型層層切分、規(guī)劃打印路徑、生成G代碼[9]。G0表示噴頭按照點位控制方式快速移動到指定終點位置；G1表示噴頭按照直線插補的方式移動到指定位置；F表示移動速度，單位為mm/min；X，Y，Z為終點坐標位置，E代表了推桿向下移動的距離，單位均為mm。

在3D打印過程中經(jīng)常會遇到打印路徑需要跨越剛剛打印零件表面的狀況，此時噴嘴需向上提高一個層高，當跨越完成再下降一個層高繼續(xù)打印。這樣既可以避免噴嘴劃傷剛剛打印好的零件表面，同時避免噴頭跨越零件表面時出現(xiàn)堵頭的現(xiàn)象[10]。為解決該問題，通常可以采用兩種方法來實施，一是修改切片軟件產(chǎn)生的G代碼，按“先抬高，后移動，再下降”的方法進行修改。圖13是對G代碼修改前后的對比，橫線是插入的位置，框中為添加的代碼內(nèi)容。二是通過設(shè)置“允許回抽”功能，并設(shè)置“Z跳動”距離(見圖14)。

圖13 修改G代碼

圖14 “Z跳動”設(shè)置界面

2.4 驗 證

打印前，首先將膏狀體材料加滿料倉，安裝推桿，通過打印機控制設(shè)備向步進電機發(fā)送指令驅(qū)動推桿向下運動進入針筒，使針筒中有少量膏狀體溢出，這樣能夠防止在加料過程中過多空氣進入針筒而影響打印精度。其次，利用SolidWorks繪制一個底部圓直徑為25 mm，高50 mm，壁厚4 mm，錐度5°的模型(見圖15)，另存為.stl格式并將該模型導入到切片軟件Repetier-Host中，在切片軟件中將導入的模型旋轉(zhuǎn)到最適合的打印角度，設(shè)置噴頭直徑3.5 mm，層高1.75 mm，打印速度15.0 mm/s，采用螺旋切片工藝，切片效果如圖16所示。

圖15 模型 圖16 切片界面

這里因為是螺旋連續(xù)打印工藝，不存在跨區(qū)域，因此無需對切片后的G代碼作修改。開啟熱床加熱功能，將加熱溫度控制在80 ℃以加速陶土固化速度，最后啟動3D打印機完成打印試驗。

圖17為膏狀體擠出裝置打印的陶土零件結(jié)果。

圖17 膏狀體打印驗證結(jié)果

在整個打印過程中未出現(xiàn)出料不順、滴落現(xiàn)象，但從圖中可以看出陶瓷零件的側(cè)壁面有微小坑點，這是由于針筒內(nèi)的陶土之間空氣泡所致。從整體看，陶瓷零件稍稍傾斜，這是因為噴嘴直徑較大，單位時間擠出料較多，下一層擠出料對上一層擠出料產(chǎn)生較大壓力導致，若采用在針筒噴嘴處設(shè)置螺紋直徑如0.4～0.6 mm的噴嘴，效果會好些，尤其在打印層數(shù)較高零件時，采用小直徑的噴嘴效果會更好。

3 結(jié) 語

FDM技術(shù)3D打印機在開源硬件上、軟件上日趨成熟。借助于Marlin固件可以更加充分挖掘該開源固件加工的潛能，由于切片軟件中的加工仿真模擬更趨于真實的打印，所以可提前預覽每層打印的情況，大大節(jié)約了產(chǎn)品研制的成本。在研究計算出絲狀耗材擠出與膏狀體耗材在針筒中的擠出體積比的基礎(chǔ)上，對Marlin固件中相應(yīng)程序進行修改，并在切片軟件中設(shè)置合理的切片參數(shù)，為連續(xù)自動打印打下基礎(chǔ)。實驗證明該設(shè)備簡單易實現(xiàn)，在食品打印、點膠、藥量精準注射等行業(yè)，具有一定的經(jīng)濟效益與使用價值。