多材料復合3D打印控制系統開發

羅亞勛，劉清濤，賀朝霞，趙云貴

(1.長安大學道路施工技術與裝備教育部重點實驗室，西安 710064；2.西安瑞特三維科技有限公司技術研究室，西安 710000)

0 引言

3D打印技術是近年來出現的一種基于增材加工方法的新型制造技術，并且發展勢頭迅猛。3D打印技術集設計與生產于一體化，可以直接將虛擬的數字模型轉化為實體產品，大大降低了生產成本，縮短了生產流程，并且在個性化定制方面具有極大的優勢[1]。3D打印產品已經在機械制造、食品加工、組織工程、電子產品、紡織工程、航空航天、醫學[2-7]等領域取得應用并卓有成效。

隨著3D打印技術的發展，用戶的產品需求也在向復雜化、多樣化改變，各色各樣的3D產品應運而生，如多材料3D打印產品、微電子電路產品[8]等。3D打印產品的多樣化使3D打印設備的改良與進階成為急需解決的問題，國內外的研究學者已經在復雜工藝設備創新方面取得了豐厚的成果。雷芳等將雙打印頭3D打印設備改良，設計了一種并聯式結構的打印頭，縮小了打印頭的體積，擴大了打印行程[9]；王琛等設計了一種可調節擠出流量的新型打印頭[10]；高玉樂等以導電銀漿材料作為導線層，以PLA材料作為絕緣層，成功打印出雙層電路[11]；李子秋等設計了一種攪拌調色打印頭，可調節不同顏色材料的進料比例，從而獲得所需的打印顏色，并針對設備設計了控制系統[12]。

總結上述研究成果，復雜工藝3D打印設備已經獲得了足夠的重視和發展，但仍存在問題：①對于雙打印頭3D打印設備，大部分設備的打印頭出口處于同一平面，當單個打印頭工作時，另一打印頭容易與之前打印好的模型產生干涉，打印空間不足；②大部分雙打印頭設備只能實現單一種類打印工藝，無法打印復雜工藝需求的產品。

針對上述問題，本文設計了一種集成工藝3D打印機，該打印機可根據不同的打印需求選擇材料和工藝，設計的打印機的控制系統，實現了打印機各模塊的協同工作，最后采用FDM、直寫工藝以及PLA、導電銀材料打印出一種結構電路一體化的產品。

1 集成工藝3D打印機

集成工藝3D打印機可根據不同的打印需求，進行單一材料、雙材料以及雙打印方式的打印工作，實現材料和工藝的靈活結合與運用。目前市場上存在的部分雙打印頭3D打印機雖然也可實現雙材料雙工藝3D打印，但兩種打印頭之間的切換方式較為繁瑣，需人工干預，精度較低，難以實現打印頭的靈活轉換，生產效率較為低下。針對這一問題，本文提出了一種可實時自動切換打印頭的集成工藝3D打印機，為多材料復雜結構復雜成分3D打印產品的制造提供了可行方案，摒除了人工切換打印頭的繁雜工作，提高了生產效率。

1.1 集成工藝3D打印機總體設計方案

該集成工藝3D打印機控制系統由打印頭集成系統、成型平臺系統、輔助系統3個部分組成。打印頭集成系統可根據用戶的打印需求，控制該打印機配備的兩個打印頭的自由切換，打印頭支架上方采用軸承與打印機X軸運動模組連接，可實現一定角度范圍內的轉動，帶動打印過程中所需的打印頭轉向工作位。成型平臺系統主要控制打印頭的空間運動軌跡，X、Y、Z三個坐標軸方向上的運動均由步進電機驅動，通過控制驅動步進電機的脈沖頻率和脈沖數，即可實現打印頭的精確定位，確保打印工作的精準進行。輔助系統包括熔料加熱模塊、進料冷卻模塊、氣壓模塊。各系統協同作用，共同完成整個打印流程的進行。各系統的協同打印流程如圖1所示。

圖1 打印流程

2 控制系統設計

2.1 打印頭集成控制系統

打印頭集成系統可配備雙打印頭，打印頭支架可通過旋轉帶動打印頭運動，實現自由切換，其整體結構如圖2所示。雙打印頭固定在打印頭支撐板上，兩打印頭的軸心成一定的角度，且軸心與支撐板旋轉半徑處于同一直線，這保證了其中任一打印頭工作時，都能與運動平臺保持垂直，同時另一打印頭抬起，不會影響正常打印進程，保證打印工作順利進行。該打印頭集成模塊的旋轉切換依靠舵機旋轉帶動，舵機與支撐板的連接孔連接，在控制系統指令作用下，舵機旋轉固定的角度，打印頭集成模塊隨即切換至所需的工作位。同時，支撐板側邊的定位磁鐵與打印機體上的配合磁鐵吸合，進一步固定了打印頭的工作位，防止機構間配合間隙過大導致的打印精度差的問題。

圖2 打印頭集成系統

集成打印頭模塊動力裝置選用LF-20MG型舵機，該舵機內部有位置傳感器，可實現伺服電機的精確轉動定位功能，同時具有減速齒輪組，輸出轉速不至于過高，十分適合用于打印頭集成模塊的小角度調整。

在控制開發板的IDE中集成了具有各種各樣功能的標準庫文件，這些庫文件使得開發板的功能得到了拓展，更加方便的實現開發板與外部硬件的協作[13]。舵機的運動位置是由一系列PWM脈沖信號控制的，改變PWM波形的脈沖信號寬度和占空比，即可控制舵機的轉動角度。本文使用servo.h標準庫實現舵機的控制，將舵機信號接收端與開發板的模擬信號輸出端連接，模擬信號輸出端輸出PWM脈沖信號，實現舵機帶動打印頭集成模塊轉動特定角度的控制[14]。打印頭集成模塊控制流程圖如圖3所示。

圖3 打印頭集成系統控制流程圖

2.2 成型平臺控制系統

3D打印的成型方式為：將三維的空間模型細分為二維的切片模型，切片模型層層疊加，最終形成實體零件。在整個成型過程中，Y軸帶動成型平臺運動，X和Z軸帶動打印頭運動，三軸協同運動決定二維切片模型的成型；上一層切片打印完成后，Z軸上升，打印下一層切片模型，如此循環。成型平臺系統的運動直接影響到3D打印的成型質量。

本文采用步進電機控制絲杠轉動，絲杠將旋轉運動轉化為沿軸方向上帶動成型平臺的直線運動。將ULN2003A大電流驅動陣列作為步進電機驅動模塊。ULN2003A的特點是：當輸入端引腳為高電平時，相應的輸出端引腳轉變為低電平，反之亦然。當步進電機的特定磁極轉變為低電位時，步進電機轉子轉向低電位磁極。ULN2003A驅動模塊輸出連續的脈沖序列，步進電機則可實現連續轉動。步進電機選用4相永磁式步進電機。對步進電機進行控制所需要用到的函數庫為stepper.h標準函數庫，控制流程圖如圖4所示。

圖4 成型平臺系統控制流程圖

2.3 輔助控制系統

集成工藝3D打印機的熔料加熱模塊和進料冷卻模塊用于FDM工藝。打印頭出口處配有加熱頭，固體絲材進入打印頭需加熱至熔融狀態，才能擠出成型。同時，絲材具有一定的剛性，熔融材料的擠出動力來自未熔絲材的推力，這就要求打印頭出口上方的絲材不能熔融。加熱熔融模塊的熱量不可避免的會向未熔絲材傳遞，影響其剛度，阻礙打印頭擠出，因此，需在打印頭出口上方設置進料冷卻模塊，以保證具有足夠的擠出動力。集成工藝3D打印機的氣壓模塊用于微筆直寫工藝。微筆直寫工藝的打印材料為液體，打印頭中需施加一定的氣壓，以供液體材料擠出。

輔助系統三個模塊均由控制板的數字量輸出接口控制，根據不同的打印需求，選擇打印工藝，控制板接收上位機指令，控制熔料加熱模塊、進料冷卻模塊、氣壓模塊是否上電，保證打印工作順利進行。

3 結果與分析

該集成工藝3D打印機可配備雙打印頭，且能實現雙打印頭的自由切換，能滿足特殊的打印需求，如雙材料打印，雙色打印，復合工藝打印等；同時切換精度高，打印頭定位準確，可實現打印流程的斷點銜接。運動系統能夠滿足3D打印的需要，輔助系統可根據不同的打印需要，各模塊相互協同，共同輔助打印工作順利進行。

為驗證集成工藝3D打印機及控制系統的可行性與有效性，搭建集成工藝3D打印機，打印機的打印頭集成模塊如圖5所示。

使用此打印機打印某基底結構與附著電路一體化產品如圖6所示。該產品與以往電子電路產品不同，其電路導線直接附著于基底結構，無需附加介電基材。產品采用FDM與微筆直寫工藝復合打印，基底結構采用FDM工藝打印成型，材料為PLA；電路部分采用微筆直寫工藝打印成型，材料為導電銀漿料。

圖5 打印頭集成模塊 圖6 3D打印結構與電路成品

實驗表明，使用集成工藝3D打印機，采用復合工藝打印雙材料具有可行性，且有十分良好的打印效果。打印產品基底部分結構完整，無明顯缺陷，達到了預期的結果；電路部分導線均勻，無斷點，線跡定位準確。在該打印件上附加LED燈及外接電源，結果如圖7所示，LED燈點亮，可見打印導線導電性良好。

圖7 LED燈點亮效果圖

傳統的3D打印機制作該種類型的電子電路只能先用FDM設備制作基底，再使用直寫設備制作導線，需要使用兩臺設備進行，制造周期長，而且轉換設備后需重新定位，會不可避免的造成重定位的誤差，使制造精度降低。與使用傳統3D打印機相比，采用集成工藝3D打印機縮短了生產周期，提高了打印精度，實現了結構與電路的一體化成型。實驗結果證明，集成工藝3D打印機具有應用的優越性，具有十分可觀的發展前景。

4 結論

集成工藝3D打印機能夠滿足多材料、多打印工藝的特殊打印需求，并且本文集成工藝3D打印機的打印頭集成系統可實現打印材料和工藝的靈活切換，3D打印工作可持續進行，不會對打印工作造成影響。基于多材料多工藝復合制造過程設計的打印機控制系統能滿足打印機的各種工作要求，完成打印頭集成模塊、成型模塊、輔助模塊的協同工作，為特殊需求3D打印提供保障。

未來3D打印制造產品必然向個性化、復雜化、多樣化的方向發展，集成工藝3D打印機可以解決用戶對于復雜3D打印制造的需求，具有一定的發展潛力和前景。