基于FDM成型工藝的3D打印機的創新設計

江平 崔志輝 劉旭東

摘要：3D打印是一種增加型制造，通過數字建模等方式獲取掃描數據，基于數據將打印產品分割成截面，將這些截面逐層堆積成型。FDM工藝生產簡單，操作安全，基本無污染，可打印材料種類多，且成型速度較快，精度較好，制造成本較低，因此FDM是3D打印成型技術中普及率最高的。為提高其打印質量與精度，對打印裝置整機設計及其工藝參數的影響進行研究，主要根據市場上現有FDM成型工藝的3D打印機的機型與結構提出整體設計，完成裝機后對創新設計的3D打印機采用正交實驗進行工藝參數測試，得出該設計的最優工藝參數組合。

關鍵詞：FDM技術；3D打印機；打印精度；打印速度；空間利用率

中圖分類號：TB472；TP391.73? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2023）17-0040-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.17.011

0? ? 引言

3D打印是一項涉及光學、熱學、機械設計等學科，多位一體的先進制造技術[1]。對比傳統減材制造，3D打印技術是增材制造，即其是將粉末、絲狀等材料進行燒結或熔化后逐層堆積成型。目前，在3D打印領域，已有SLA、SLS、3DP等成型工藝成功應用。與以上技術相比，FDM工藝3D打印設備更具經濟性和方便性，它不采用激光等復雜工藝，而是采用ABS、PLA等材料打印成型件，具有較高強度，因此在驗證、評估、測試等方面應用較廣。

1? ? 3D打印機國內外研究現狀

20世紀末，Charles Hull研制出了第一臺商業3D印刷機。隨后，1993年，美國麻省理工學院取得3D印刷技術專利，其研究的成型技術主要包括SLA、SLS、LOM、FDM等。國外研究3D打印技術的公司主要有Stratasys、Z Corp、Objet及Envisiontec等，其打印技術發展較為成熟。

國內3D打印發展較晚，自20世紀末期開始，以清華大學、華中科技大學、西安交通大學、北京航空航天大學為主的各大高校對3D打印技術、打印材料、打印軟件及其應用領域進行了積極探索和研究，并進一步開發，其中部分新型技術已面向世界，取得了一定成效。基于各大高校對3D打印的研究成果，目前已有多家3D打印設備的生產加工公司，主要包括北京殷華、陜西恒通智能機器、湖北濱湖機電等[2]。

2? ? FDM技術3D打印機成型原理

FDM型3D打印機主要由工作平臺、送絲裝置、加熱噴頭、耗材存儲裝置和控制系統組成[3]，其耗材主要為熱塑性材料，如ABS、PLA等。工作原理是通過擠出機將絲狀原料送入熱熔噴頭，打印頭加熱塊將材料加熱熔化，然后從噴頭擠出，打印頭按照產品切片輪廓路徑運動，將擠出的半流動熱塑材料反復逐層堆積成型，如圖1所示。

3? ? FDM技術存在的缺陷及其解決方案

市面上FDM技術成型設備所打印產品常存在表面粗糙度高且致密度低的缺陷，其精度與速率也需不斷優化和改善。針對上述問題，本設計主要從結構和工藝參數兩方面展開優化研究，通過優化3D打印機的結構設計，選取最佳工藝參數組合，最終提高3D打印機的打印精度和市場價值[4]。

（1）機械結構：本設計采用XYZ結構，其具有結構穩定可靠、維護容易、空間利用率高等優點，且由于電機安裝在機架上，減輕了XY平面電機重量，可實現較高的打印速度和精度。

（2）尺寸：本設計計劃采用350 mm×350 mm×330 mm熱床，打印空間大，可打印較大產品。

（3）參數：FDM技術產品表面質量和力學性能很大程度上取決于打印參數的設定，但影響FDM成型質量的工藝參數繁多，最佳工藝參數組合難以確定，所以采用正交實驗進行測試。

4? ? FDM技術3D打印機設計

4.1? ? 機械傳動結構設計

本機采用XYZ結構，打印頭做XY的復合運動，以4個電機同時控制X、Y的復合平面在Z軸運動，打印平臺固定在機器底部，以提高傳動結構的空間利用率，同時具有更高的打印速度與精度，故選擇Core XY結構為本次設計的機型。Core XY結構穩定可靠、維護容易、空間利用率高，且電機安裝在機架上，減輕了XY平面上電機重量，可實現較高的打印速度，其運動結構如圖2所示。

4.2? ? 同步帶、同步帶輪設計

本機采用圓弧齒形帶，減少齒形帶滑動可能性以及反轉時的反沖力，同步帶與帶輪齒嚙合>6齒，故同步帶輪最小齒數為12，一般最小齒數在15以上。步進電機驅動同步帶輪轉動，同步帶輪齒數越多，直徑越大，也就是步進電機單位步數下同步帶的位移越大，間接影響3D打印機的精度。綜合考慮，2GT同步帶最為合適，具體參數如表1所示。

為確保步進電機的轉動安全和振動、噪聲，步進電機的轉速N<3 r/s，打印機的打印平均速度為50 mm/s，代入下式求步進電機轉速：

4.3? ? 控制系統設計

本機選擇控制系統性價比較高的42步進電機作為動力元件，如圖3所示，其中低功率加熱棒為噴嘴加熱供熱元件；熱床采用1 Ω電阻絲，以12 V直流電對其進行加熱；X、Y方向以限位開關進行行程控制，Z方向則以紅外傳感器來控制行程。主控制板選擇將Arduino Mega2560、RAMPS1.4集合在一塊板子的集成板MKS Gen-L上，它采用可插拔驅動模塊，兼容4988驅動器、8825驅動器以及TMC2100驅動器；使用開源固件Marlin。接線如圖4所示。

4.4? ? 總體框架與總裝設計

本機采用鋁材框架外殼，依靠盲孔來組裝，是一種低成本和較高剛性的裝配方法，有連接強度高、承載能力大等優點。據打印機最大成型尺寸及其他零部件裝配占有空間尺寸，最終計算所需2020鋁型材為Z軸4根530 mm、X軸與Y軸各4根470 mm，均由M5螺釘安裝連接。

如圖5所示，整機設計為兩倉結構，上層為打印倉，用透明亞克力板對其進行密封，保證操作者在打印過程中能夠清楚觀察到打印機的運行情況；下層為控制倉，為打印機電源、控制板等零部件提供位置，保證了布線安全的同時也提高了整體機型美觀性。

5? ? FDM成型工藝3D打印機打印實驗及工藝參數研究

完成打印機的機械系統和控制系統設計后，對本打印機進行裝機，實物如圖6所示。

此次實驗采取脫機打印方式，考慮到成型精度是當前3D打印技術亟需突破的瓶頸，也是未來發展的研究方向，本次打印材料選擇PLA，這是一種生物降解材料[5]。為了提高測試效率，采取正交實驗進行測試。測試件為20 mm×10 mm×1 mm長方體，打印參數填充值設為100%。另選擇打印速度、熱床溫度、打印溫度、分層厚度4個正交實驗因子，設計4因子3水平的正交實驗薄壁材料打印參數。考慮材料性能與本機配置，參數設置在如表2所示的范圍較為穩定。

根據以上打印參數，通過正交實驗打印測試件共9件，然后用游標卡尺對打印測試件X方向和Y方向的數值進行測量，如表3所示。

基于表3數據，生成誤差分析圖，如圖7所示。

對X方向的誤差進行正交分析，如表4所示。

根據結果可發現各類參數對打印效果的影響，考慮PLA打印收縮率，對X方向誤差影響排序為：分層厚度>打印速度>熱床溫度>打印溫度。

對Y方向的誤差進行正交分析，如表5所示。

根據結果可發現，Y方向的誤差數值大約為對應X方向數值的1/2，對誤差影響排序為：分層厚度>打印速度>熱床溫度=打印溫度。

由實驗可知，溫度對產品XY平面打印尺寸存在一定影響，溫度越高則單位時間內噴頭擠出絲材越多，產品尺寸越大，200 ℃打印時產品與設計尺寸最為接近。打印層厚是影響產品精度的最主要因素，層厚精度越高誤差越小。打印速度越快，噴頭擠出的絲材越細，打印的尺寸也越小，打印速度為40 mm/s時，產品尺寸最接近設計時的數據。另外，觀察測試件表面，并無裂紋和比較明顯的翹曲，體現了PLA收縮率低的特性。根據上述數據分析，選取實驗最優參數如表6所示。

6? ? 結束語

本機結合市面上FDM技術3D打印機的特點進行了創新設計——封閉空間提供穩定基座并很好地降低了外界氣流和溫度的影響；XY軸傳動系統則采用同步帶式直線導軌傳動裝置，極大地減輕了機身重量，提高了定位精度和運行速度；同時，Z軸打印平臺升降結構采用了4根直線導軌運動裝置，承載能力與定位精度都有了極大的提髙，保證了運行時水平穩定，在一定程度上解決了打印效率低、成型精度差等問題，可彌補國內FDM桌面型3D打印機的不足，為其更高效便捷的市場化奠定基礎。

[參考文獻]

[1] 覃英姐，周潔璇，李春城.一種基于3D打印技術的義齒制造工藝：CN114129290A[P].2022-03-04.

[2] 劉江.基于FDM工藝的3D打印技術在文創產品原型設計中的應用研究[J].天工，2022（28）：33-35.

[3] 馮志徽.基于FDM的圖學模型設計及其成型精度研究[D].南昌：東華理工大學，2022.

[4] 葛嘯.基于FDM技術3D打印支撐結構設計與優化的研究[D].杭州：杭州電子科技大學，2022.

[5] ISMAIL K I，YAP T C，AHMED R.3D-Printed Fiber-Reinforced Polymer Composites by Fused Deposition Modelling （FDM）：Fiber Length and Fiber Implementation Techniques[J].Polymers，2022，14（21）：4659.

收稿日期：2023-05-08

作者簡介：江平（2001—），女，廣東茂名人，研究方向：生物醫學工程。

通信作者：劉旭東（1987—），男，河北衡水人，碩士，講師，研究方向：快速成型技術。