基于FDM成型工藝的3D打印機(jī)的創(chuàng)新設(shè)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(shù)字建模等方式獲取掃描數(shù)據(jù)，基于數(shù)據(jù)將打印產(chǎn)品分割成截面，將這些截面逐層堆積成型。FDM工藝生產(chǎn)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(shù)中普及率最高的。為提高其打印質(zhì)量與精度，對打印裝置整機(jī)設(shè)計及其工藝參數(shù)的影響進(jìn)行研究，主要根據(jù)市場上現(xiàn)有FDM成型工藝的3D打印機(jī)的機(jī)型與結(jié)構(gòu)提出整體設(shè)計，完成裝機(jī)后對創(chuàng)新設(shè)計的3D打印機(jī)采用正交實驗進(jìn)行工藝參數(shù)測試，得出該設(shè)計的最優(yōu)工藝參數(shù)組合。

關(guān)鍵詞：FDM技術(shù)；3D打印機(jī)；打印精度；打印速度；空間利用率

中圖分類號：TB472；TP391.73? ? 文獻(xiàn)標(biāo)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(xué)、熱學(xué)、機(jī)械設(shè)計等學(xué)科，多位一體的先進(jìn)制造技術(shù)[1]。對比傳統(tǒng)減材制造，3D打印技術(shù)是增材制造，即其是將粉末、絲狀等材料進(jìn)行燒結(jié)或熔化后逐層堆積成型。目前，在3D打印領(lǐng)域，已有SLA、SLS、3DP等成型工藝成功應(yīng)用。與以上技術(shù)相比，F(xiàn)DM工藝3D打印設(shè)備更具經(jīng)濟(jì)性和方便性，它不采用激光等復(fù)雜工藝，而是采用ABS、PLA等材料打印成型件，具有較高強(qiáng)度，因此在驗證、評估、測試等方面應(yīng)用較廣。

1? ? 3D打印機(jī)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)末，Charles Hull研制出了第一臺商業(yè)3D印刷機(jī)。隨后，1993年，美國麻省理工學(xué)院取得3D印刷技術(shù)專利，其研究的成型技術(shù)主要包括SLA、SLS、LOM、FDM等。國外研究3D打印技術(shù)的公司主要有Stratasys、Z Corp、Objet及Envisiontec等，其打印技術(shù)發(fā)展較為成熟。

國內(nèi)3D打印發(fā)展較晚，自20世紀(jì)末期開始，以清華大學(xué)、華中科技大學(xué)、西安交通大學(xué)、北京航空航天大學(xué)為主的各大高校對3D打印技術(shù)、打印材料、打印軟件及其應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了積極探索和研究，并進(jìn)一步開發(fā)，其中部分新型技術(shù)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(shè)備的生產(chǎn)加工公司，主要包括北京殷華、陜西恒通智能機(jī)器、湖北濱湖機(jī)電等[2]。

2? ? FDM技術(shù)3D打印機(jī)成型原理

FDM型3D打印機(jī)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(tǒng)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(jī)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(chǎn)品切片輪廓路徑運動，將擠出的半流動熱塑材料反復(fù)逐層堆積成型，如圖1所示。

3? ? FDM技術(shù)存在的缺陷及其解決方案

市面上FDM技術(shù)成型設(shè)備所打印產(chǎn)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(yōu)化和改善。針對上述問題，本設(shè)計主要從結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)兩方面展開優(yōu)化研究，通過優(yōu)化3D打印機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，選取最佳工藝參數(shù)組合，最終提高3D打印機(jī)的打印精度和市場價值[4]。

（1）機(jī)械結(jié)構(gòu)：本設(shè)計采用XYZ結(jié)構(gòu)，其具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠、維護(hù)容易、空間利用率高等優(yōu)點，且由于電機(jī)安裝在機(jī)架上，減輕了XY平面電機(jī)重量，可實現(xiàn)較高的打印速度和精度。

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

（3）參數(shù)：FDM技術(shù)產(chǎn)品表面質(zhì)量和力學(xué)性能很大程度上取決于打印參數(shù)的設(shè)定，但影響FDM成型質(zhì)量的工藝參數(shù)繁多，最佳工藝參數(shù)組合難以確定，所以采用正交實驗進(jìn)行測試。

4? ? FDM技術(shù)3D打印機(jī)設(shè)計

4.1? ? 機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計

本機(jī)采用XYZ結(jié)構(gòu)，打印頭做XY的復(fù)合運動，以4個電機(jī)同時控制X、Y的復(fù)合平面在Z軸運動，打印平臺固定在機(jī)器底部，以提高傳動結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)為本次設(shè)計的機(jī)型。Core XY結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠、維護(hù)容易、空間利用率高，且電機(jī)安裝在機(jī)架上，減輕了XY平面上電機(jī)重量，可實現(xiàn)較高的打印速度，其運動結(jié)構(gòu)如圖2所示。

4.2? ? 同步帶、同步帶輪設(shè)計

本機(jī)采用圓弧齒形帶，減少齒形帶滑動可能性以及反轉(zhuǎn)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(shù)為12，一般最小齒數(shù)在15以上。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動同步帶輪轉(zhuǎn)動，同步帶輪齒數(shù)越多，直徑越大，也就是步進(jìn)電機(jī)單位步數(shù)下同步帶的位移越大，間接影響3D打印機(jī)的精度。綜合考慮，2GT同步帶最為合適，具體參數(shù)如表1所示。

為確保步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動安全和振動、噪聲，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速N<3 r/s，打印機(jī)的打印平均速度為50 mm/s，代入下式求步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速：

4.3? ? 控制系統(tǒng)設(shè)計

本機(jī)選擇控制系統(tǒng)性價比較高的42步進(jìn)電機(jī)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(jìn)行加熱；X、Y方向以限位開關(guān)進(jìn)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(qū)動模塊，兼容4988驅(qū)動器、8825驅(qū)動器以及TMC2100驅(qū)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(shè)計

本機(jī)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(qiáng)度高、承載能力大等優(yōu)點。據(jù)打印機(jī)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(jī)設(shè)計為兩倉結(jié)構(gòu)，上層為打印倉，用透明亞克力板對其進(jìn)行密封，保證操作者在打印過程中能夠清楚觀察到打印機(jī)的運行情況；下層為控制倉，為打印機(jī)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(jī)型美觀性。

5? ? FDM成型工藝3D打印機(jī)打印實驗及工藝參數(shù)研究

完成打印機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)設(shè)計后，對本打印機(jī)進(jìn)行裝機(jī)，實物如圖6所示。

此次實驗采取脫機(jī)打印方式，考慮到成型精度是當(dāng)前3D打印技術(shù)亟需突破的瓶頸，也是未來發(fā)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(jìn)行測試。測試件為20 mm×10 mm×1 mm長方體，打印參數(shù)填充值設(shè)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(shè)計4因子3水平的正交實驗薄壁材料打印參數(shù)。考慮材料性能與本機(jī)配置，參數(shù)設(shè)置在如表2所示的范圍較為穩(wěn)定。

根據(jù)以上打印參數(shù)，通過正交實驗打印測試件共9件，然后用游標(biāo)卡尺對打印測試件X方向和Y方向的數(shù)值進(jìn)行測量，如表3所示。

基于表3數(shù)據(jù)，生成誤差分析圖，如圖7所示。

對X方向的誤差進(jìn)行正交分析，如表4所示。

根據(jù)結(jié)果可發(fā)現(xiàn)各類參數(shù)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(jìn)行正交分析，如表5所示。

根據(jù)結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，Y方向的誤差數(shù)值大約為對應(yīng)X方向數(shù)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(chǎn)品XY平面打印尺寸存在一定影響，溫度越高則單位時間內(nèi)噴頭擠出絲材越多，產(chǎn)品尺寸越大，200 ℃打印時產(chǎn)品與設(shè)計尺寸最為接近。打印層厚是影響產(chǎn)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(xì)，打印的尺寸也越小，打印速度為40 mm/s時，產(chǎn)品尺寸最接近設(shè)計時的數(shù)據(jù)。另外，觀察測試件表面，并無裂紋和比較明顯的翹曲，體現(xiàn)了PLA收縮率低的特性。根據(jù)上述數(shù)據(jù)分析，選取實驗最優(yōu)參數(shù)如表6所示。

6? ? 結(jié)束語

本機(jī)結(jié)合市面上FDM技術(shù)3D打印機(jī)的特點進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計——封閉空間提供穩(wěn)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(tǒng)則采用同步帶式直線導(dǎo)軌傳動裝置，極大地減輕了機(jī)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(jié)構(gòu)采用了4根直線導(dǎo)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(wěn)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(bǔ)國內(nèi)FDM桌面型3D打印機(jī)的不足，為其更高效便捷的市場化奠定基礎(chǔ)。

[參考文獻(xiàn)]

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[2] 劉江.基于FDM工藝的3D打印技術(shù)在文創(chuàng)產(chǎn)品原型設(shè)計中的應(yīng)用研究[J].天工，2022（28）：33-35.

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

[4] 葛嘯.基于FDM技術(shù)3D打印支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化的研究[D].杭州：杭州電子科技大學(xué)，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(yī)學(xué)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(shù)。