張文君，方輝，袁澤林，黃紀(jì)剛，董秀麗

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桌面型FDM 3D打印設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)與精度分析

張文君，方輝*，袁澤林，黃紀(jì)剛，董秀麗

（四川大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610065）

目前市面上桌面型FDM 3D打印設(shè)備種類繁多，受到結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、熔融溫度、環(huán)境溫度等多重因素的綜合影響，其打印精度差異明顯。為了提高打印精度，對(duì)某一桌面型FDM 3D打印設(shè)備影響精度的相關(guān)缺陷進(jìn)行了分析，并對(duì)設(shè)備的箱體結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)控制部分等方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。對(duì)設(shè)備優(yōu)化設(shè)計(jì)前后的打印件精度進(jìn)行了對(duì)比分析，相關(guān)數(shù)據(jù)表明，改進(jìn)后的設(shè)備打印精度得到顯著提升，相關(guān)技術(shù)內(nèi)容對(duì)提升FDM 3D打印機(jī)打印精度具有實(shí)際意義。

桌面型FDM 3D打印設(shè)備；機(jī)械結(jié)構(gòu)改進(jìn)；運(yùn)動(dòng)控制；共振；精度

近年來，隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，基于各類工藝的3D打印技術(shù)及設(shè)備相繼被研發(fā)并逐漸推入市場(chǎng)，其中基于熔融沉積成型（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM）工藝的3D打印技術(shù)發(fā)展尤為迅速[1]。FDM 3D打印技術(shù)的工作原理是將打印材料加熱至熔融狀態(tài)并從噴嘴擠出，噴嘴根據(jù)實(shí)體水平截面形狀選擇性涂覆實(shí)體材料或支撐材料，使熔融態(tài)材料逐層堆積，最終形成目標(biāo)實(shí)體。FDM 3D打印設(shè)備由箱體結(jié)構(gòu)，控制、、方向運(yùn)動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，噴射結(jié)構(gòu)，控制部分組成[2]，打印耗材包括PLA、ABS等。

目前FDM 3D打印設(shè)備市場(chǎng)發(fā)展迅速，但設(shè)備打印精度普遍偏低。本文選取其中一種桌面型FDM 3D打印機(jī)（以下簡(jiǎn)稱X型FDM 3D打印機(jī)），對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。分析其機(jī)械結(jié)構(gòu)及控制部分存在的缺陷，逐步改進(jìn)，達(dá)到提高設(shè)備打印精度的目的，從而進(jìn)一步提高設(shè)備性能。

1 X型FDM 3D打印設(shè)備缺陷分析

X型FDM 3D打印設(shè)備機(jī)箱為半封閉式結(jié)構(gòu)，由螺釘連接鈑金件制成；其運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)中，、方向?yàn)橥綆鲃?dòng)，光桿導(dǎo)向；方向由絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)，光桿導(dǎo)向；打印工作平臺(tái)由三角形平臺(tái)基座和玻璃打印平臺(tái)構(gòu)成。設(shè)備實(shí)物如圖1所示。

圖1 X型FDM 3D打印設(shè)備

經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該X型FDM 3D打印設(shè)備存在如下缺陷：

（1）機(jī)箱結(jié)構(gòu)易引起共振，裝配基準(zhǔn)精度較差[3]，易引起系統(tǒng)誤差；

（2）運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)精度較低、摩擦阻力大，增大了系統(tǒng)誤差；

（3）打印工作平臺(tái)缺少溫度補(bǔ)償裝置，打印件易出現(xiàn)錯(cuò)移、翹曲等問題。

因此，本文對(duì)該X型FDM 3D打印設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)及控制部分中，影響打印精度的因素進(jìn)行分析并逐一優(yōu)化，比較設(shè)備改進(jìn)前后打印件精度的變化。從機(jī)械結(jié)構(gòu)入手，先對(duì)設(shè)備箱體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，并基于此結(jié)構(gòu)優(yōu)化運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，再對(duì)打印平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，最后完成控制部分的優(yōu)化，分別測(cè)量設(shè)備每一次改進(jìn)前后打印件的相關(guān)尺寸，整理數(shù)據(jù)并進(jìn)行精度誤差分析。

2 X型FDM 3D打印設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及精度分析

2.1 X型FDM 3D打印設(shè)備機(jī)箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及精度分析

X型FDM 3D打印設(shè)備其機(jī)箱各部分采用螺釘連接，不能起到定位作用，裝配基準(zhǔn)精度差，且該種結(jié)構(gòu)的機(jī)箱互換性低。其驅(qū)動(dòng)裝置和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)固定聯(lián)接于半封閉式機(jī)箱的側(cè)板和底板上。由于打印參數(shù)的限制，設(shè)備運(yùn)行時(shí)，控制、方向運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)頻率接近，易產(chǎn)生共振[4]。同時(shí)，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中同步帶傳動(dòng)方式、同步帶張緊程度、絲杠與光桿加工精度和剛度等要素，也會(huì)引起振動(dòng)。各結(jié)構(gòu)引起的振動(dòng)共同作用于機(jī)箱，故設(shè)備工作時(shí)振動(dòng)明顯，打印平穩(wěn)性和打印精度較差。因此，針對(duì)上述缺陷，對(duì)機(jī)箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。選取開放式鋁型材框架結(jié)構(gòu)[5]，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）鋁型材是標(biāo)準(zhǔn)件，互換性強(qiáng)，后期加工工序簡(jiǎn)單，方便裝配與校核，縮短生產(chǎn)周期；

（2）鋁型材框架機(jī)箱體積小，振動(dòng)傳遞的固態(tài)介質(zhì)少，可以有效地降低振動(dòng)對(duì)整臺(tái)設(shè)備的影響；

（3）機(jī)箱基座占地面積小，基座底部平面度高，平穩(wěn)性好；

（4）機(jī)箱采用開放式框架結(jié)構(gòu)，方便打印平臺(tái)調(diào)平和打印機(jī)的后期擴(kuò)展與維護(hù)工作[6]。

對(duì)改進(jìn)前后的FDM 3D打印設(shè)備分別進(jìn)行打印實(shí)驗(yàn)，設(shè)定目標(biāo)打印件為＝40.00 mm、＝5.00 mm的圓柱，記錄兩臺(tái)設(shè)備打印出的六個(gè)打印件的相關(guān)尺寸，并進(jìn)行對(duì)比分析，如表1所示。

表1 X型FDM 3D打印機(jī)改進(jìn)前后的打印相關(guān)尺寸

由圖2分析可知：優(yōu)化后的FDM 3D打印設(shè)備打印出的零件誤差相對(duì)穩(wěn)定，離散程度較小，且誤差更接近于零值，故采用開放式鋁合金框架機(jī)箱，可以提高設(shè)備穩(wěn)定性，進(jìn)而提高打印精度。

圖2 改進(jìn)前后設(shè)備打印件誤差對(duì)比柱狀圖

2.2 FDM 3D打印設(shè)備的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及精度分析

2.1節(jié)中FDM 3D打印設(shè)備其方向二維運(yùn)動(dòng)運(yùn)用同步帶傳動(dòng)，光桿導(dǎo)向；方向運(yùn)動(dòng)運(yùn)用絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)，光桿導(dǎo)向。在打印過程中，同步帶往復(fù)運(yùn)動(dòng)頻繁，發(fā)熱后易產(chǎn)生跳齒現(xiàn)象[7]，導(dǎo)致設(shè)備振動(dòng)明顯，進(jìn)而影響打印精度。

（1）方向傳動(dòng)裝置的優(yōu)化

優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)FDM 3D打印設(shè)備、方向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)均選用滾珠絲杠、滾動(dòng)螺母?jìng)鲃?dòng)，并配以滾動(dòng)導(dǎo)軌導(dǎo)向。該傳動(dòng)方式和導(dǎo)向裝置穩(wěn)定性良好，有效避免了同步帶跳齒引起的精度問題，該結(jié)構(gòu)依靠滾珠絲杠和滾動(dòng)導(dǎo)軌較高的加工精度、剛度以及良好的裝配平行度來保證機(jī)器的運(yùn)動(dòng)精度。

將滾珠絲杠和滾動(dòng)導(dǎo)軌配合使用，可有效減小噴射結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦阻力，同時(shí)還能減小步進(jìn)電機(jī)的負(fù)載。滾珠絲杠較于普通絲杠精度更高[8]；滾動(dòng)導(dǎo)軌精度高，摩擦阻力?。粷L珠絲杠和滾動(dòng)導(dǎo)軌剛性好，可有效降低振動(dòng)和噪音，在提高打印精度方面效果顯著。

（2）方向傳動(dòng)裝置的優(yōu)化

方向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)選用滾珠絲杠和滾動(dòng)螺母?jìng)鲃?dòng)，光桿導(dǎo)向。一根滾珠絲杠和三根光桿分別安裝于設(shè)備打印平臺(tái)的四角。滾珠絲杠和光桿較高的加工精度、剛度以及良好的裝配垂直度有效保證了打印平臺(tái)向運(yùn)動(dòng)的垂直度和穩(wěn)定性。

該結(jié)構(gòu)使得滾珠絲杠和光桿受力均勻，消除了上述設(shè)備因工作臺(tái)懸臂產(chǎn)生的力矩。滾珠絲杠與光桿剛性、精密度良好，有效降低了Z向運(yùn)動(dòng)的摩擦阻力，減弱了工作臺(tái)的振動(dòng)，提高了工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)精度與平穩(wěn)性。

對(duì)上述改進(jìn)前后的FDM 3D打印設(shè)備分別進(jìn)行打印實(shí)驗(yàn)，設(shè)定目標(biāo)打印件為＝40.00 mm、＝5.00 mm的圓柱，記錄兩臺(tái)設(shè)備打印出的六個(gè)打印件的相關(guān)尺寸，并進(jìn)行對(duì)比分析，如表2所示。

表2 圓柱打印件直徑及誤差（一）

由表2分析可得，改進(jìn)后設(shè)備打印零件的尺寸誤差平均值縮小到0.10 mm，圖3表明改進(jìn)后設(shè)備打印件尺寸誤差值波動(dòng)范圍更小且相對(duì)平穩(wěn)，可見運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)打印精度的提高極其重要。

圖3 2.1節(jié)設(shè)備改進(jìn)前后打印件誤差對(duì)比柱狀圖

2.3 FDM 3D打印設(shè)備的打印工作平臺(tái)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及精度分析

上述經(jīng)優(yōu)化的FDM 3D打印設(shè)備其打印工作平臺(tái)由三角形平臺(tái)基座和玻璃打印工作平臺(tái)構(gòu)成。玻璃材質(zhì)平臺(tái)易碎，不便于安裝；因玻璃光潔度高，在打印過程中，零件基層固定不牢，易產(chǎn)生錯(cuò)移、翹曲等現(xiàn)象[9]，致使打印件出現(xiàn)明顯誤差，甚至無法成形[10]。

為提高設(shè)備的性能,本文對(duì)打印工作平臺(tái)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行以下改進(jìn)：

（1）選用鋁板作為打印工作平臺(tái)，鋁板強(qiáng)度高、擠壓變形微小，降低了機(jī)器故障時(shí)打印工作平臺(tái)的報(bào)廢率。

（2）工作平臺(tái)基座選用鏤空的矩形鋁板材，鏤空結(jié)構(gòu)易于固定打印工作平臺(tái)與熱床，同時(shí)使熱床底部散熱良好，避免了預(yù)熱不均的現(xiàn)象。

（3）打印工作平臺(tái)表面粘貼美工紙，該美工紙具有粗糙度適宜、互換性強(qiáng)、價(jià)廉環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，有效解決了打印件基層粘接不牢、錯(cuò)移、翹曲等問題。

（4）在打印工作平臺(tái)與基座之間安裝溫度補(bǔ)償裝置——熱床[11]，使打印件預(yù)熱均勻，粘接牢固，減輕了錯(cuò)移、翹曲等現(xiàn)象，提高打印件成型率。

對(duì)2.2節(jié)的FDM 3D打印設(shè)備于改進(jìn)前后分別進(jìn)行打印實(shí)驗(yàn)，設(shè)定目標(biāo)打印件為＝40.00 mm、＝5.00 mm的圓柱，記錄兩臺(tái)設(shè)備打印出的六個(gè)打印件的相關(guān)尺寸，并進(jìn)行對(duì)比分析，如表3所示。

表3 圓柱打印件直徑及誤差（二）

由表3分析可得，打印工作平臺(tái)結(jié)構(gòu)改進(jìn)后該設(shè)備打印出的零件尺寸平均誤差減小。由圖4可知，增設(shè)熱床后，零件尺寸誤差總體呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，誤差值波動(dòng)稍大。故熱床的溫度補(bǔ)償效果顯著，對(duì)提高打印件精度起到了積極作用。觀察打印件形狀可知打印件翹曲程度改善明顯。

圖4 2.2節(jié)設(shè)備改進(jìn)前后打印件誤差對(duì)比柱狀圖

3 FDM 3D打印設(shè)備的控制部分優(yōu)化設(shè)計(jì)及精度分析

上述FDM 3D打印設(shè)備其控制部分選用開源的控制主板，、、方向均采用單個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制，程序較為簡(jiǎn)單。該主板能夠?qū)崿F(xiàn)打印操作全過程，但運(yùn)行過程穩(wěn)定性較差，易出現(xiàn)故障。電流脈沖信號(hào)識(shí)別精準(zhǔn)度低，步進(jìn)電機(jī)丟步頻繁，嚴(yán)重影響了打印精度[12]。核心控制芯片運(yùn)行和處理算法速度慢，影響了機(jī)器操作指令下達(dá)速度，從而降低了機(jī)器工作效率。

經(jīng)改進(jìn)，新設(shè)備、、方向單電機(jī)驅(qū)動(dòng)的控制程序設(shè)計(jì)更加精細(xì)，優(yōu)化性更好。控制板選用MPC4730 V3.0型，其核心控制芯片型號(hào)為STM32F407 VET6[13]。該控制板有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）同時(shí)設(shè)置了SD卡槽和USB接口，打破了外接設(shè)備的局限性；

（2）該控制板對(duì)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行細(xì)分，提高電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)每一個(gè)電流脈沖的分辨率，以減弱或消除步進(jìn)電機(jī)的低頻振動(dòng)，提高設(shè)備打印精度與平穩(wěn)性[14]；

（3）32位的核心控制芯片計(jì)算能力強(qiáng)，運(yùn)行速度快，發(fā)熱現(xiàn)象不明顯；

（4）在算法中對(duì)電機(jī)軸運(yùn)動(dòng)的加速度、速度策略進(jìn)行了優(yōu)化[15]。

對(duì)2.3節(jié)的FDM 3D打印設(shè)備于改進(jìn)前后分別進(jìn)行打印實(shí)驗(yàn)，設(shè)定目標(biāo)打印件為＝40.00 mm、＝5.00 mm的圓柱，記錄兩臺(tái)設(shè)備打印出的六個(gè)打印件的相關(guān)尺寸，并進(jìn)行對(duì)比分析，如表4所示。

圖5 2.3節(jié)設(shè)備改進(jìn)前后打印件誤差對(duì)比柱狀圖

由表4和圖5可知：安裝新控制板的FDM 3D打印設(shè)備打印出的零件尺寸較接近打印目標(biāo)件尺寸，絕對(duì)誤差穩(wěn)定，且誤差值更小，顯著提高了打印精度。

所有優(yōu)化設(shè)計(jì)工作完成后的FDM 3D打印設(shè)備實(shí)物如圖6所示。

4 結(jié)論

通過對(duì)機(jī)箱結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、打印平臺(tái)結(jié)構(gòu)以及控制部分進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后的FDM 3D打印設(shè)備其運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)保證了運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性；打印平臺(tái)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提高了打印件的成型率。FDM 3D打印設(shè)備的穩(wěn)定性、工作效率有了明顯提升，打印件誤差波動(dòng)范圍明顯縮小，誤差值趨于穩(wěn)定，設(shè)備打印精度有了顯著提高。后續(xù)工作將更深入地研究溫度、運(yùn)動(dòng)特性、裝配質(zhì)量以及打印工藝對(duì)打印精度的影響，并提出相應(yīng)的優(yōu)化策略。

圖6 優(yōu)化設(shè)計(jì)工作完成后的FDM 3D打印機(jī)

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Optimization Design and Precision Analysisof Desktop FDM 3D Printing Equipment

ZHANG Wenjun，F(xiàn)ANG Hui，YUAN Zelin，HUANG Jigang，DONG Xiuli

( College of Manufacturing Science and Engineering,Sichuan University,Chengdu610065,China)

There are many different kinds of desktop FDM 3D printing equipment on market now. Affected by combination of multiple factors, such as the structure stability、the melting temperature and the environmental temperature, the equipments are varied in printing precision. The paper analyzed the related factors which had bad effect on the desktop FDM 3D printing equipment printing precision ,optimized the box structure, motor system mechanical structure, motion control system, collected experimental data which represent un-optimized or optimized desktop FDM 3D printing equipment printing precision. By comparison, the experimental data turn out that the optimized desktop FDM 3D printing equipment make great progress in printing precision. And the optimization design is of practical significance to promoting the printing precision of desktop FDM 3D printing equipment.

desktop FDM 3D printing equipment；improvement of mechanical structure；motion control；resonance；precision

TP334.8

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.01.002

1006－0316 (2018) 01－0005－06

2017－05－22

國(guó)家自然科學(xué)基金（51175356）；四川大學(xué)新世紀(jì)高等教育教學(xué)改革工程研究項(xiàng)目（SCUY7067）

張文君（1990－），女，湖北襄陽人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)镕DM 3D打印機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)及FDM 3D打印耗材加工設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

通訊作者：方輝（1973－），湖南岳陽人，博士，副教授，主要研究方向?yàn)?D打印設(shè)備開發(fā)及數(shù)控機(jī)床熱誤差分析與補(bǔ)償、精密加工技術(shù)及裝備等。