◆沈雙娟 鄭勇平

（福建師范大學(xué)物理與能源學(xué)院 福建 350007）

1 引言

開(kāi)源，是開(kāi)放源代碼（Open source code）的簡(jiǎn)稱(chēng)。開(kāi)放源代碼軟件能被自主修改、自由復(fù)制，從而衍生出更多的新功能軟件[1-3]。開(kāi)源3D打印技術(shù)就是基于開(kāi)源之上的一種3D打印技術(shù)，即通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)搜索開(kāi)放源代碼，尋找合適的參數(shù)化模型，在此基礎(chǔ)上對(duì)模型進(jìn)行修復(fù)和完善，從而大大降低了3D打印的復(fù)雜程度，使3D打印機(jī)這個(gè)高科技產(chǎn)品步入人們的日常視野。3D打印技術(shù)，又稱(chēng)增材制造技術(shù)[4]， 是一種以三維數(shù)字形式立體構(gòu)造物理對(duì)象的一種快速成型技術(shù)[5]，它利用計(jì)算機(jī)將成形零件的 3D模型切成一系列一定厚度的“薄片”，之后3D打印設(shè)備自下而上地制造出每一層“薄片”，最后疊加成形出三維的實(shí)體零件[6]，其與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，3D打印技術(shù)在時(shí)間和成本上都具有明顯的優(yōu)勢(shì)，且制作出來(lái)的模型更加精細(xì)。

提拉鍍膜法是一種廣泛應(yīng)用于薄膜制備的方法，采用提拉機(jī)在硅片或者圓柱形基片上鍍上均勻的薄膜。提拉鍍膜法相比于傳統(tǒng)的直接手工用鑷子夾玻片浸入液面相比，不管是被夾玻片的穩(wěn)定性、上下提拉的均勻性、對(duì)浸入時(shí)間的精準(zhǔn)把控等方面都有極大優(yōu)勢(shì)，同時(shí)提拉鍍膜法也大大節(jié)省了實(shí)驗(yàn)操作人員的時(shí)間和勞動(dòng)強(qiáng)度。最早的提拉機(jī)是由在國(guó)際上 SOL-GEI技術(shù)領(lǐng)先的CHEMAT TECHNOLOGY， INC設(shè)計(jì)完成。其主要關(guān)鍵元器件由美國(guó)進(jìn)口，整機(jī)裝配由上海CHEMAT安裝調(diào)試完成，其成本價(jià)格較高，使得提拉機(jī)無(wú)法普遍應(yīng)用于日常的本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。本文采用開(kāi)源3D打印技術(shù)，用相對(duì)低廉的3D打印材料制作出了提拉機(jī)，實(shí)現(xiàn)將玻片浸入液體、懸停鍍膜、提拉成型的功能，并能較好控制上升與下降的速度、調(diào)節(jié)其懸停時(shí)間等。

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

首先，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)開(kāi)源3D打印社區(qū)我們找到了相對(duì)合適的提拉機(jī)制動(dòng)器模型，再利用CAD軟件對(duì)其進(jìn)行修改及渲染，獲得提拉機(jī)零件的3D數(shù)字模型，并用Materialise Magics軟件對(duì)模型進(jìn)行調(diào)試分析，針對(duì)3D打印過(guò)程中可能出現(xiàn)的各種問(wèn)題，不斷進(jìn)行修復(fù)和完善。其次，是選擇合適的3D打印材料，通過(guò)綜合比較，我們選用了FDM工藝材料中的PLA（聚乳酸）熔絲線材作為3D打印材料。PLA是一種新型的生物降解材料，使用可再生的植物資源（如玉米）所提出的淀粉原料制成。該材料顏色豐富、價(jià)格低廉便于多次實(shí)驗(yàn)，打印出的零件機(jī)械性好，具有良好延展度及抗拉強(qiáng)度，可以完美的適用于實(shí)驗(yàn)[7]。最后，通過(guò)FDM 3D打印機(jī)打印出零件模型并進(jìn)行組裝，對(duì)其配置28BYJ-48步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)，這種電機(jī)的優(yōu)勢(shì)在于價(jià)格低、耗電低、個(gè)體小、扭矩大、轉(zhuǎn)動(dòng)穩(wěn)定、用很小的電壓就可以驅(qū)動(dòng)很大的零件轉(zhuǎn)動(dòng)，缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)速低，但恰好適用于提拉機(jī)需要穩(wěn)定的要求[8]。如此便完成了提拉機(jī)的硬件制作，如圖1所示。

圖1 提拉機(jī)硬件部分

電路部分，主要為一臺(tái)28BYJ-48步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)芯片板ULN2003，用來(lái)帶動(dòng)提拉機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，用Arduino及其 UNO板作為步進(jìn)電機(jī)的數(shù)控部分，最終得到一套完整的提拉機(jī)裝置，如圖2所示。

圖2 提拉機(jī)系統(tǒng)完整實(shí)物圖

圖3 給出了不同轉(zhuǎn)速對(duì)提拉機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)周期的影響，由圖中可以看出，不同轉(zhuǎn)速下，提拉機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)一周期的離散度不同，轉(zhuǎn)速越慢，離散程度越低，圖像的波動(dòng)就越小，系統(tǒng)就越穩(wěn)定，反之亦然。因此這種28BYJ-48步進(jìn)電機(jī)與本次實(shí)驗(yàn)制作的提拉機(jī)系統(tǒng)更適合在低速下進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。圖4給出了轉(zhuǎn)速與周期的關(guān)系曲線，由圖中可以看下，轉(zhuǎn)速與運(yùn)轉(zhuǎn)周期近乎呈線性關(guān)系，隨著轉(zhuǎn)速增大，提拉機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)周期顯著變小，當(dāng)?shù)竭_(dá)28BYJ-48步進(jìn)電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速150步/min時(shí)，提拉機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)周期最短，但從圖3可以看出，轉(zhuǎn)速達(dá)150步/min時(shí)，提拉機(jī)的離散度較高。通過(guò)比較圖3和圖4，當(dāng)轉(zhuǎn)速為100-120步/min時(shí)，提拉機(jī)的離散度和運(yùn)轉(zhuǎn)周期將達(dá)到一個(gè)較為理想的平衡狀態(tài)。

圖3 不同轉(zhuǎn)速對(duì)提拉機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)周期的影響

圖4 轉(zhuǎn)速與周期的關(guān)系曲線

3 結(jié)論

采用PLA（聚乳酸）熔絲線材作為3D打印材料，打印出的提拉機(jī)零件，并聯(lián)合應(yīng)用 28BYJ-48步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)芯片板ULN2003，用 Arduino及其 UNO板作為步進(jìn)電機(jī)的數(shù)控部分，如此制得的提拉機(jī)系統(tǒng)， 能較好實(shí)現(xiàn)提拉機(jī)的基本功能，如提拉、懸停、改變懸停時(shí)間、改變運(yùn)行時(shí)間等等。研究結(jié)果表明，當(dāng)提拉機(jī)轉(zhuǎn)速為100-120步/min時(shí)，提拉機(jī)的離散度和運(yùn)轉(zhuǎn)周期將達(dá)到一個(gè)較為理想的平衡狀態(tài)。該提拉機(jī)實(shí)驗(yàn)成本相對(duì)低廉，且維修方面也具有極大優(yōu)勢(shì)，零件的更換都可以通過(guò)3D打印進(jìn)行。如此制作出來(lái)的提拉機(jī)最大的缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)速不夠快，如何選用一款更精準(zhǔn)、轉(zhuǎn)速更快、更適合提拉機(jī)運(yùn)作的電機(jī)，以得到一套精準(zhǔn)更高、效率更好、功能更完善、使用更持久的提拉機(jī)系統(tǒng)，將是我們后續(xù)研究的重點(diǎn)方向。