劉子玉　吳海江　楊曉雨　吳俊　李勇　劉昊（徐州工程學(xué)院，江蘇徐州　221000）

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基于MACH3軟件控制的3D打印機常見問題

劉子玉吳海江楊曉雨吳俊李勇劉昊
（徐州工程學(xué)院，江蘇徐州221000）

【摘 要】3D打印技術(shù)，是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。它與普通打印機工作原理基本相同，通過電腦控制把“打印材料”一層層疊加起來，最終把計算機上的藍圖變成實物。隨著3D打印機的興起，相對3D打印技術(shù)方面的問題也會越來越多。本文將以作者使用MACH3軟件控制制作FDM型3D打印機發(fā)現(xiàn)的問題為主，結(jié)合查閱的資料，與大家共同探討以找到解決問題的最佳方案。

【關(guān)鍵詞】工作原理常見問題打印效果解決方案

1　FDM型3D打印機工作原理

采用FDM技術(shù)3D打印機，噴頭熱熔性絲材（通常為ABS或PLA材料）先被纏繞在供料輥上，由步進電機驅(qū)動輥子旋轉(zhuǎn)，絲材在主動輥與從動輥的摩擦力作用下向擠出機噴頭送出。在供料輥和噴頭之間有一導(dǎo)向套，導(dǎo)向套采用低摩擦力材料制成以便絲材能夠順利準確地由供料輥送到噴頭的內(nèi)腔。噴頭的上方有電阻絲式加熱器，在加熱器的作用下絲材被加熱到熔融狀態(tài)，然后通過擠出機把材料擠壓到工作臺上，材料冷卻后便形形成了工件的截面輪廓。［1］

2　常見問題及解決方案

FDM型3D打印機現(xiàn)在的發(fā)展已經(jīng)趨于成熟，但是還是存在一些問題，結(jié)合作者本人在研究過程中發(fā)現(xiàn)，對一些問題提出自己的見解。

2.1溫度控制問題及解決方法

FDM型3D打印機打印材料為ABS和PLA兩種，ABS材料的熔點為210-250度，PLA材料的熔點在180-200度，加熱溫度偏低，材料的流動性較差，噴嘴出絲不均勻，時快時慢，導(dǎo)致打印出來的實體分層現(xiàn)象嚴重。加熱溫度偏高，材料流動性雖好，但是溫度過高會使材料碳化，造成噴嘴的堵塞。

現(xiàn)在市場上主要采用單片機控制3D打印機的加熱，價格比較昂貴。單片機用的軟件大多都是開源的，所以打印的穩(wěn)定性專業(yè)性無法保證。出于成本考慮，作者沒有采用單片機進行溫度控制。而是采用REC-100型繼電器輸出溫控儀來控制加熱溫度。此款溫控儀可以直接輸出12V電壓來控制加熱管的工作。與采用軟件控制溫度相比，溫控儀控制精度更高，而且加熱較平緩。溫控儀可以直接使用外部面板調(diào)節(jié)加熱溫度，操作更加方便快捷。

2.2打印錯位問題

打印錯位問題是3D打印機常見問題，作者在調(diào)試過程中也曾多次遇到。引起打印錯位的原因有很多，常見的錯位原因有以下幾個。

（1）切片模型錯誤?，F(xiàn)在用的最常見的軟件是Cura、Repetier這兩種。開源軟件在打印過程中無法保證穩(wěn)定。還有每個設(shè)計模型圖出來不一定就是完美適合軟件，所以打印錯位首先模型圖不換，把模型圖重新切片，模型移動個位置也好，讓軟件重新生成GCode打印。

（2）電壓不穩(wěn)定。電源是否穩(wěn)定直接影響到步進電機的運轉(zhuǎn)。打印錯位時注意是否為有大功率電器電閘關(guān)閉使電壓波動，如果有，打印電源加上穩(wěn)壓設(shè)備。如果沒有，觀察打印錯位是否每次噴嘴走到同一點出現(xiàn)行程受阻，噴嘴卡位后出現(xiàn)錯位，一般是X、Y、Z軸電壓不均，調(diào)整主板上X、Y、Z軸電流使其通過三軸電流基本均勻。

（3）同步帶松動、步進電機拖動力不足。同步帶在使用一段時間后會失去彈性，如果出現(xiàn)丟步現(xiàn)象，可以嘗試更換同步帶。此外，步進電機拖動力不足也會導(dǎo)致丟步現(xiàn)象的產(chǎn)生。針對這種情況，可以更換更大功率的電機或者重新設(shè)計擠出機部分結(jié)構(gòu)以減輕重量。

（4）軟件設(shè)置問題。作者在制作過程中使用MACH3軟件進行控制。在排除上述問題后，作者嘗試對軟件中步進電機的控制參數(shù)進行修改調(diào)試。圖1為不同參數(shù)設(shè)置下的打印效果。

圖1為不同參數(shù)設(shè)置下迷宮模型打印效果。（表1）

在第一組所示參數(shù)設(shè)置下，步進電機速度曲線較陡，加速過快，丟步現(xiàn)象嚴重，打印時產(chǎn)生嚴重的錯位。

第二組參數(shù)下步進電機運動曲線十分平緩，加速度參數(shù)較圖1減少200，打印效果略有提高，但錯位現(xiàn)象仍然存在，且打印速度大大減慢。

第三組參數(shù)主要變化為步進脈沖設(shè)置，增加步進脈沖，延長步進電機脈沖時間，可以是步進電機運行更加平穩(wěn)準確，大大減少了步進電機的丟步情況，從而解決了打印錯位的狀況。

圖1.1

圖1.2

圖1.3

2.3噴嘴堵塞問題

噴嘴堵塞是3D打印機最常見的問題之一，造成這一現(xiàn)象的原因

············

很多，受篇幅限制，本文僅說明幾個常見的產(chǎn)生原因。

表1　

（1）材料質(zhì)量。市場上3D打印機的耗材很多，價格也不同，高則上萬元一公斤，低則幾十塊錢一公斤。在使用廉價的耗材時發(fā)生過多次噴嘴阻塞的情況，在清理噴嘴時發(fā)現(xiàn)這些耗材大多有內(nèi)里中空的問題。這導(dǎo)致在向下送絲的過程中，耗材與管壁緊貼，不能及時融化，從而阻塞了液體流動的通道，導(dǎo)致噴嘴堵塞。

（2）加熱溫度過高 或噴嘴中有異物。PLA材料和ABS材料都有著固定的熔點，溫度控制超過該溫度，材料就會在噴嘴里碳化，長時間就會導(dǎo)致噴嘴堵住。同樣如果噴嘴中有異物沒有及時清除，也會嚴重影響 噴嘴的出絲，甚至堵住噴嘴。 定期的清理可以有效避免這一狀況。

（3）操作問題。沒有正確裝料絲，進料塞柱沒有調(diào)整好，或者進料齒輪、進料喉管、噴頭處有殘留的斷絲，造成3D打印機無法正常擠出料絲，最終堵塞噴頭。所以，在給設(shè)備更換材料時應(yīng)該注意以下兩件事：1）在更換料時，取出材料時建議先啟動進料程序，使噴嘴正常出絲，使噴嘴正常噴膠絲，使進料管中的材料連續(xù)性較好，然后再選擇取出膠絲程序。這樣有利于膠絲正常取出。2）在進行更換材料時，不可過于大力量往噴嘴填充膠絲，或者取出材料是不可過于大力量往外拉拔膠絲，這樣都有可能拉斷膠絲而殘留在噴嘴或進料通道中而引起堵塞。

作者在研究過程中多次遇到過這些情況，在查閱資料后對如何清理噴嘴有了一定的經(jīng)驗。將噴頭溫度手動調(diào)節(jié)至240℃，將前風(fēng)扇拆下，溫度達到后，手動往進料喉管中擠壓膠絲，使噴嘴正常出絲。接著拔出膠絲，再次進入進料喉管后，稍等膠絲熔化后拔出膠絲，使半熔化的膠絲將噴嘴中的殘留物帶出。反復(fù)操作幾次。使用鋼絲疏通噴嘴。然后重復(fù)。將噴頭拆下，放于丙酮溶液中清洗。

2.4打印上表面凹陷及拉絲問題

在打印較大的物體時，經(jīng)常會出現(xiàn)物體上表面凹陷的情況。產(chǎn)生的原因是材料冷卻不及時。針對這一現(xiàn)象，作者對3D打印機擠出機做了一定的改進。在步進電機下方安裝一個渦輪風(fēng)扇，并設(shè)計一個風(fēng)道蓋與風(fēng)扇配合使用，用風(fēng)扇直接為打印體散熱。此法可以快速降溫，使物體快速冷卻，解決凹陷。

拉絲也是打印過程中常見問題之一。拉絲問題是3D打印的一大難題，打印頭在非打印狀態(tài)下移動時，打印頭滴落部分細絲。解決這個問題目前還沒有好的方法，比較有效的方法是適當調(diào)低加熱溫度。大多數(shù)打印機都有回縮功能，啟動此功能后，在非打印狀態(tài)下移動打印頭前打印機就會縮進細絲。這樣就不會有多余的塑料材料從打印頭滴落，形成拉絲了。此外，還可以嘗試使用流動性較弱的材料，都能有效地減少拉絲現(xiàn)象。

3　結(jié)語

目前3D打印機主要運用于航空航天、醫(yī)療設(shè)備、高科技研發(fā)及制造業(yè)。然而現(xiàn)在的3D打印機還存在著精度低、材料受限、時間過長等問題，但是隨著科技的發(fā)展，3D打印技術(shù)一定會日益完善。我相信隨著這些問題被一一解決，3D打印機也會走入平常百姓的家庭。本文所述的僅僅是作者的一些經(jīng)驗之談，希望對進行3D打印制作的工作者們有所幫助。

參考文獻：

［1］王瑞玲.3D打印機設(shè)計的初步分析［D］.黑龍江:黑龍江生態(tài)工程職業(yè)學(xué)院.

作者簡介：劉子玉（1995—），男，漢族，江蘇徐州人，本科在讀，徐州工程學(xué)院，機械設(shè)計制造及其自動化。