劉磊，吳建

(1.新余學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，江西 新余 338004；2.蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 蕪湖，241000)

0 引言

3D打印技術(shù)是一種增材制造技術(shù)，它將數(shù)字化模型切片分層，按照一定的截面軌跡，運用PLA、ABS、粉末金屬、光敏樹脂或者食品原料等材料，通過逐層打印，層層疊加累積的方式來建構(gòu)實物，能夠?qū)⑷藗兊膭?chuàng)意和想法迅速變成現(xiàn)實。它的出現(xiàn)，顛覆了傳統(tǒng)的加工技術(shù)，無需機(jī)械加工或模具就能將數(shù)字化模型直接變成實物，極大地縮短了產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，為個性化、小批量生產(chǎn)帶來了便利[1]。目前，3D打印技術(shù)已廣泛于汽車、航空航天、生物醫(yī)療、建筑、食品加工及文物修復(fù)等諸多領(lǐng)域，具有極大的市場潛力，勢必成為未來突破性技術(shù)之一。

目前，常見的3D打印技術(shù)主要包括立體光固化成型SLA、選擇性激光燒結(jié)SLS、選擇性激光熔融SLM、三維印刷工藝3DP、熔融沉積成型FDM等。其中，F(xiàn)DM技術(shù)由于成本低、可選材料多、工藝簡單等因素，受到眾多DIY創(chuàng)客的關(guān)注，開發(fā)了多種多樣的開源FDM型桌面3D打印機(jī)，讓3D打印這個新興技術(shù)真正走進(jìn)了普羅大眾。

針對目前國內(nèi)外FDM型桌面3D打印機(jī)存在的打印精度不高、功能單一、打印速度較慢等問題，本文采用開源軟硬件系統(tǒng)，設(shè)計開發(fā)了一臺打印精度高、打印速度快、穩(wěn)定可靠、擠出系統(tǒng)模塊化的多功能FDM型3D打印機(jī)，具有一定的創(chuàng)新性和實用性。

1 3D打印機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

3D打印機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計主要包括機(jī)身框架、運動系統(tǒng)、擠出系統(tǒng)等。

1.1 機(jī)架與運動系統(tǒng)

目前，F(xiàn)DM型3D打印機(jī)機(jī)型結(jié)構(gòu)主要有Prusa i3（龍門架結(jié)構(gòu)）、Ultimaker （十字軸結(jié)構(gòu)）、Makerbot、Corexy等。考慮到不同擠出系統(tǒng)模塊的更換便利性、可拓展性及方便升級維護(hù)，本設(shè)計采用開放式的i3結(jié)構(gòu)。打印噴頭完成Z軸和X軸方向的運動，打印平臺完成Y軸方向運動，采用雙z軸電機(jī)設(shè)計使打印頭移動更加穩(wěn)定。

常用的3D打印機(jī)運動系統(tǒng)傳動方式有同步帶+光軸、同步帶+導(dǎo)軌和滾珠絲桿+導(dǎo)軌三種。為減少震動、提高打印精度和速度，方便維護(hù)，本設(shè)計XYZ三軸都采用滾珠絲桿+導(dǎo)軌傳動方式[2]。由步進(jìn)電機(jī)通過聯(lián)軸器連接滾珠絲桿，帶動絲桿轉(zhuǎn)動，從而使絲桿上的螺母產(chǎn)生直線運動，再帶動堅固在螺母上打印噴頭或打印平臺移動。各軸的運動范圍由光電開關(guān)進(jìn)行限制。3D打印機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)

1.2 擠出系統(tǒng)

為實現(xiàn)3D打印機(jī)的多功能化，本設(shè)計采用了兩種擠出系統(tǒng)：線材擠出和氣壓擠出?？筛鶕?jù)打印材料和應(yīng)用場合的不同，隨時更換，實現(xiàn)多功能打印。

線材擠出可打印傳統(tǒng)的PLA、ABS等線材，實現(xiàn)概念模型、文化創(chuàng)意產(chǎn)品及機(jī)械零部件的制造。擠出部分選用MK8遠(yuǎn)程擠出套件，噴頭部分選用E3D V6組件，噴嘴直徑0.4 mm，采用加熱棒加熱，熱敏電阻測溫。如圖2所示。

圖2 線材擠出系統(tǒng)

氣壓擠出可用來打印巧克力等食材，還可應(yīng)用于PDMS柔性傳感材料的壓電復(fù)合薄膜制備，為該材料的復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造、可穿戴電子器件及其監(jiān)測元件的研究開發(fā)奠定基礎(chǔ)。氣壓擠料系統(tǒng)由氣泵、氣動三聯(lián)件（調(diào)壓、過濾、干燥）、高頻電磁換向閥（起氣路開關(guān)作用）、點膠針頭、點澆針筒（塑料和不銹鋼兩種材料）、針筒連接器及針筒支架組成。氣動擠出系統(tǒng)原理圖如圖3所示。當(dāng)需要打印時，電磁換向閥電磁鐵通電（由繼電器控制），左位工作，氣體通過連接器進(jìn)入針筒，將材料從針頭擠出，打印在熱床平臺上。當(dāng)空行程或無需打印時，電磁鐵斷電（由繼電器控制），右位工作，針筒無氣體進(jìn)入，停止擠料。

圖3 氣壓擠出系統(tǒng)原理與組成

3D打印熱床平臺選用MK3鋁基板，尺寸310 mm×310 mm×3 mm，電壓24 V。采用電熱絲加熱，熱敏電阻測溫。

2 運動系統(tǒng)傳動零部件計算與選型

2.1 滾珠絲桿螺母副選型

本設(shè)計X軸、Y軸和Z軸滾珠絲桿的工作行程都為300mm，單向定位精度要求±0.05mm，查閱溫州上煜傳動科技有限公司相關(guān)技術(shù)資料，選用C7級精度等級，其導(dǎo)程誤差為±0.05 mm/300 mm，符合設(shè)計要求。

為保證足夠的剛度，絲桿外徑選用16mm。

設(shè)計要求X軸、Y軸進(jìn)給速度最大為120mm/s,根據(jù)公式:Ph=Vmax60/inmax可確定絲桿導(dǎo)程[3]。電機(jī)通過聯(lián)軸器與滾珠絲桿直聯(lián)，故傳動比i=1，步進(jìn)電機(jī)空載時最大轉(zhuǎn)速nmax一般可達(dá)到1 000 r/min，帶負(fù)載穩(wěn)定運行時nmax一般可取500 r/min，將數(shù)值代入公式，可算得絲桿導(dǎo)程Ph=14.4 mm，故最終絲桿導(dǎo)程按標(biāo)準(zhǔn)定為16 mm。由于3D打印機(jī)Z軸是間歇式按切片時所設(shè)定的層厚上升的，對進(jìn)給速度無過多要求，為保證傳動時的精度和剛度，選用小導(dǎo)程Ph=5 mm。

確定以上絲桿的主要參數(shù)后，查閱溫州上煜傳動科技有限公司相關(guān)技術(shù)資料，最終X軸、Y軸選用該公司SFE1616-L500單螺母型大導(dǎo)程滾珠絲桿模組，Z軸選用SFU1605-L500型模組，精度等級都為C7級，總長度500 mm，采用一端支撐一端固定的安裝方法，以保證一定的旋轉(zhuǎn)速度和較高的定位精度，支撐和固定配套的軸承座型號分別為EF12和EK12。聯(lián)軸器選用SYC30梅花系列型，與所選絲桿和電機(jī)配套。直線導(dǎo)軌選用HGH20HA四方型、超重負(fù)荷、滑塊上鎖式導(dǎo)軌，其中X軸導(dǎo)軌為一條，長460 m；Y軸導(dǎo)軌有兩條，長460 mm；Z軸導(dǎo)軌有兩條，長400 mm。

2.2 步進(jìn)電動機(jī)的選型

首先對Z軸的步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行選型。在本設(shè)計中估算Z軸所帶負(fù)載（包括螺母座、滑塊、固定板、X軸零部件及擠出系統(tǒng)）重量約為Mw=20 kg，絲桿重量為Mb=2 kg，絲桿導(dǎo)程Ph=5 mm，絲桿直徑D=16 mm，摩擦系數(shù)（垂直安裝時為1），機(jī)械效率，Z軸移動速度Vmax=80 mm/s，步進(jìn)電機(jī)加減速時間為t=0.1 s。根據(jù)公式計算如下：

負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量:

負(fù)載和絲桿加速時所需總轉(zhuǎn)矩

步進(jìn)電機(jī)所需的最大驅(qū)動扭矩為加速運行時的驅(qū)動扭矩，即：TZ=Tf+Ta=0.3 N.m

根據(jù)以上計算，本設(shè)計Z軸電機(jī)選用57HBP56AL4型步進(jìn)電機(jī)，端面尺寸為57 mm，轉(zhuǎn)矩為1.2 Nm，帶有斷電剎車抱閘功能，能夠防止Z軸上的零件部件在斷電后下滑，保證安全。在空載時電機(jī)轉(zhuǎn)速能達(dá)到1 000 r/min，額定負(fù)載下加速后穩(wěn)定在500 r/min左右。配套的電機(jī)驅(qū)動器選用DM-542，最大支持64細(xì)分，驅(qū)動電路類似伺服控制，使電機(jī)低速運動平穩(wěn)，無震動和噪音，可實現(xiàn)一個驅(qū)動器帶動2個Z軸電機(jī)，實現(xiàn)雙Z軸電機(jī)的同步運行，保證擠出噴頭系統(tǒng)的水平和穩(wěn)定。

X軸、Y軸步進(jìn)電機(jī)的選型計算方法同Z軸，也采用57系列步進(jìn)電機(jī)，型號為MKS SERVO57B,保持轉(zhuǎn)矩1.2 Nm，不帶抱閘功能，采用廣泛使用的DRV8825步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊。

3 3D打印機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 開源硬件

3D 打印機(jī)的開源主板根據(jù)其芯片分類主要有Arduino mega 2560、STM32、樹莓派及ARM這四種。基于這四種核心，人們開發(fā)出了種類繁多，功能各異的3D打印機(jī)主板[4]。本3D打印機(jī)主控制板選用創(chuàng)客基地開發(fā)的MKS GEN_L主板。它將開源主板Ramps1.4和Arduino mega 2560集合到一塊板子上，解決了Ramps1.4 組合接口繁瑣、易出故障的問題；預(yù)留電機(jī)脈沖和方向輸出端口，可外接DM-542等大驅(qū)動來驅(qū)動57系列、86系列等大電機(jī)，也支持 A4988、 DRV8825及TMC2100等常用驅(qū)動；最多支持5個電機(jī)。與主板配套的操控屏幕選用創(chuàng)客基地開發(fā)的MKS TFT35全彩觸摸3.5"液晶顯示屏，支持?jǐn)嚯娎m(xù)打、斷電保存、打完開機(jī)及WIFI等模塊。

硬件都選擇并安裝好后，就可以進(jìn)行接線了。包括電機(jī)相位線、電機(jī)驅(qū)動線、限位開并線、風(fēng)扇接線、噴頭和熱床加熱線、噴頭和熱床熱敏測溫線、電源接線及觸摸屏接線等，將相應(yīng)的接線頭插入MKS GEN_L主板相應(yīng)的卡槽位置即可。主板接線圖如圖4所示。

圖4 主板接線圖

3.2 開源固件

固件（firmware）是硬件設(shè)備的一種驅(qū)動程序，其作用是控制硬件來完成預(yù)期的設(shè)備功能，相當(dāng)于PC電腦上的操作系統(tǒng)[5]。基于不同核心的開源主板往往對應(yīng)不同的固件，如Sprinter 、 Marlin 、 Teacup 、OctoPrint及smoothieware等，每種固件都有其自身的特點，應(yīng)根據(jù)3D打印機(jī)的功能要求選擇合適的固件。

本設(shè)計選擇使用非常廣泛的Marlin固件。使用 Arduino IDE 打開 marlin.ino，切換到 Configuration.h 即可查看并修改該文件。主要需要修改配置的參數(shù)包括波特率、主板類型、擠出電機(jī)數(shù)量、擠出噴頭數(shù)量、限位開關(guān)設(shè)置、噴頭和熱床溫度配置、傳感器配置、步進(jìn)電機(jī)方向、XYZ軸和E軸擠出機(jī)每移動一毫米所需要的脈沖數(shù)及顯示屏型號等。

以“XYZ軸和E軸擠出機(jī)每移動一毫米所需要的脈沖數(shù)”為例。本設(shè)計X、Y軸選用的57步進(jìn)電機(jī)步距角是1.8°，細(xì)分?jǐn)?shù)為16，那么 步進(jìn)電機(jī)運動一圈就發(fā)生360/1.8×16=3 200個脈沖，X、Y軸絲桿導(dǎo)程為16 mm（即絲桿轉(zhuǎn)動一周，絲桿螺母運動16 mm ），那么X、Y軸的分辨率為 3 200/16=200。Z軸絲桿導(dǎo)程為5 mm，那么Z軸的分辨率為 3 200/5=640。E軸擠出齒輪直徑為10 mm，那么 E 軸分辨率是 3 200/( 10×3.14) = 101.86。如圖5所示。

圖5 固件修改與配置

固件修改好后，在Arduino IDE【工具】菜單中選擇正確的主板型號和端口號，單擊左上角的【上傳】工具，就可將Marlin固件燒錄到主板中。

4 結(jié)語

設(shè)計了一款基于開源軟硬件的多功能FDM型3D打印機(jī)，利用UG軟件完成了機(jī)架的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并對傳動系統(tǒng)中滾珠絲桿螺母副和步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行了計算選型。設(shè)計了線材和氣壓兩套擠出系統(tǒng)，通過更換不同的模塊，可輕松實現(xiàn)線材、食材及凝膠類材料的打印，以適應(yīng)不同的應(yīng)用場合，實現(xiàn)多功能打印?；陂_源軟硬件進(jìn)行改造開發(fā)的，成本低，可拓展性強(qiáng)，性能可靠。