曹晟，邵帥

（上海交通大學(xué)，上海 200240）

五自由度FDM型三維打印裝置設(shè)計

FDM 3D printing device with five degrees of freedom

曹晟，邵帥

（上海交通大學(xué)，上海 200240）

常見的FDM三維打印機(jī)不能打印中空結(jié)構(gòu)模型。文中創(chuàng)新制出一種五自由度FDM打印機(jī)，通過增加兩個轉(zhuǎn)動運(yùn)動軸，使成型面始終在有支撐的水平面上，這樣可以直接打印空間曲線懸梁臂彎管等以前無法實(shí)現(xiàn)的模型。此新型打印設(shè)備節(jié)約了成本，提高了加工效率。

五自由度；3D打印機(jī)；FDM；模型；坐標(biāo)系；運(yùn)動軸；平臺

編者按：2015年9月20日，首屆“薩馳杯”智能科技創(chuàng)新大賽決賽在蘇州大學(xué)敬賢堂成功舉辦。大賽由薩馳華辰機(jī)械（蘇州）有限公司主辦，中國石油和化工勘察設(shè)計協(xié)會橡膠塑料設(shè)計專業(yè)委員會、中國橡膠工業(yè)協(xié)會機(jī)械模具分會、《橡塑技術(shù)與裝備》雜志社、上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院、哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院、東南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院、蘇州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院、青島科技大學(xué)、西門子工廠自動化工程有限公司及羅克韋爾自動化（中國）有限公司共同協(xié)辦。

為共同促進(jìn)我國科技教育多元化，實(shí)現(xiàn)中國制造2025的中長期目標(biāo)提供有力的支持，促進(jìn)企業(yè)文化活躍橡塑行業(yè)科技文化事業(yè)發(fā)展。本刊將分期連續(xù)選登參賽作品，以供業(yè)內(nèi)人士全方位、寬領(lǐng)域了解科技發(fā)展動態(tài)。

隨著科技的發(fā)展，3D打印這個概念，在近幾年突然變得十分火熱。在各大新聞網(wǎng)站搜索3D打印關(guān)鍵詞，有60多萬條相關(guān)新聞紀(jì)錄，而一些如“3D打印手槍”、“3D打印汽車”、“3D打印房屋”、“3D打印骨架”等概念，最近也頻繁出現(xiàn)在我們的視野中。這無疑傳達(dá)出這樣的信息——3D打印不僅僅在改變行業(yè)，更是在逐步改變我們的生活。

3D打印技術(shù)是快速原型（Rapid Prototyping，簡稱RP）技術(shù)的通俗叫法，人們從使用3D CAD的那天起就希望方便地將設(shè)計“轉(zhuǎn)化”為實(shí)物，因此也就有了發(fā)明3D打印機(jī)的必要。從歷史上來講，3D打印的思想，在20世紀(jì)末，已在美國萌芽。但當(dāng)時受限于技術(shù)和材料，無法成型。

相對于傳統(tǒng)制造工藝，3D打印技術(shù)有兩個優(yōu)點(diǎn)，一是節(jié)省原材料和人工。由于采用“增材制造技術(shù)”，它的用料只有原來的1/3到1/2，生產(chǎn)速度卻快4倍。同時因省卻生產(chǎn)線和一部分組裝過程，可降低人工成本。第二個優(yōu)點(diǎn)是可以制作形態(tài)各異的物品。理論上，只要電腦可以設(shè)計出的造型，3D打印機(jī)都可以打印出來。

如今3D打印機(jī)已成為比較常見的一種制造方式，并發(fā)展出了FDM（Fused Deposition Modeling，熔融沉積造型）、3DP（Three Dimensional Printing，三維打印）、SLS（Selective Laser Sintering選擇性激光燒結(jié)）、SLA（Stereo lithography，立體印刷術(shù)）等技術(shù)，已趨于成熟。但是研制出低成本高性能的三維打印裝置，仍是業(yè)界不懈追求的目標(biāo)。

在上述類型的3D打印機(jī)中，F(xiàn)DM型3D打印機(jī)，以其價格低廉、結(jié)構(gòu)簡單、外形漂亮、環(huán)境友好等特性，在桌面級甚至工業(yè)級3D打印機(jī)中都占據(jù)了主流地位。下面，我們先從FDM型3D打印機(jī)的原理講起。

熔融沉積造型，即FDM（參見圖1），其原理主要是通過加熱熱塑性材料，使其融化后在重力作用下流在成型面上，再冷卻固化，形成堅(jiān)硬的實(shí)體。打印的過程，首先將三維模型切片分層，然后逐層打印出每一層的零件，再通過層層疊加的方式獲得三維的實(shí)體模型。因?yàn)榭伤苄圆牧鲜且揽恐亓ψ饔昧飨聛恚ㄟ^層層堆疊的方式構(gòu)建三維實(shí)體，所以，每一層的成型面都必須有實(shí)體支撐。因此，對于一些懸空的實(shí)體結(jié)構(gòu)，必須在其下部先打印出一些支架材料，起到支撐作用。這些支架材料的生成并沒有實(shí)際作用，而且去除這些支架材料也是后處理過程中的一個難點(diǎn)。最重要的是，一些模型因?yàn)橹锌盏慕Y(jié)構(gòu)，根本無法用FDM型3D打印機(jī)加工出來。模型造型受到了大大的限制。

圖1 FDM型3D打印機(jī)工作原理

為了更好的說明這個限制難度，我們構(gòu)建了兩個模型。圖2（a）模型1是一個中空的立方體，用于儲存固體顆?；蛘咭后w；圖2（b）模型2是一個90°直角彎管，用于直角支撐或者走線。要想打出這樣的零件，機(jī)器都會像模型2所示的那樣，生成大量的灰色的支架材料。這些支架材料的產(chǎn)生，既帶來了后處理上的難度，也造成材料的浪費(fèi)。

圖2 3D打印模型實(shí)例

那么，是否有辦法避免這些支架材料的產(chǎn)生呢？

在這個基礎(chǔ)上，筆者在裴景玉教授的指導(dǎo)下提出了“五自由度FMD型3D打印機(jī)”的概念，通過增加兩個轉(zhuǎn)動運(yùn)動軸，轉(zhuǎn)動坐標(biāo)系，使成型面始終在有支撐的水平面上。這樣，就可以避免支架材料的產(chǎn)生。

具體的原理，可以用這個空間曲線的懸臂梁彎管來舉例說明。任何3D打印機(jī)見到這樣的模型都會為之頭疼，而如果可以在正常打印完白色部分之后，旋轉(zhuǎn)底部平臺，在合適的位置再打印淺灰色的部分，最后再旋轉(zhuǎn)平臺，打印深灰色的部分。這樣不僅可以加工出這樣一個難度較高的零件，重要的是，全程沒有一點(diǎn)支架材料的產(chǎn)生。參見圖3。這種類型的零件，一直是FDM型3D打印機(jī)無法輕易加工出的零件。通過旋轉(zhuǎn)底部平臺，就可以很好的避免支架材料產(chǎn)生。參見圖4。

圖3 空間曲線懸臂梁彎管

圖4 五自由度3D打印機(jī)加工過程

圖5 A軸和C軸結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了實(shí)現(xiàn)這個功能，我們在原有傳統(tǒng)FDM型3D打印機(jī)的基礎(chǔ)上，保留其X軸和Y軸的傳動結(jié)構(gòu)，利用舵機(jī)和步進(jìn)電機(jī)為其增加A軸和C軸的轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)了底部加熱平臺兩個自由度方向的旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)動時為了保證平臺的加熱和測溫，采用的是空心轉(zhuǎn)軸，中間布線。采用集電環(huán)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動部件和靜止部件間電流的傳輸。為了保證轉(zhuǎn)動的穩(wěn)定性，利用滾動軸承和止推軸承對轉(zhuǎn)軸進(jìn)行軸向和徑向的定位。同時還改進(jìn)了Z軸，利用四根絲杠使Z方向的托舉更加精準(zhǔn)穩(wěn)定。從而實(shí)現(xiàn)了五自由度的運(yùn)動。參見圖5。

電路控制方面，我們采用Arduino MEGA 2560電路板和RAMPS 1.4端子板，自主編寫了五自由度運(yùn)動控制程序及對噴頭和熱床溫度控制PID程序。為了方便調(diào)試和控制，我們利用labview軟件的VISA模塊與打印機(jī)進(jìn)行串口連接通訊。從而搭建出人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)PID溫度控制和五自由度的運(yùn)動控制過程的實(shí)時顯示。參見圖6。

圖6 人機(jī)交互界面

通過理論計算，上文提到的兩個模型都可以在不產(chǎn)生支架材料的情況下完美打印出來，針對模型一，其材料可以節(jié)約55.18%，加工時間節(jié)約45.61%；模型二，其材料節(jié)約37.85%，時間節(jié)約32.82%，大大節(jié)約了3D打印的成本，提高了加工效率。參見圖7。

圖7 最后的成品實(shí)物圖

綜上可見，我們的五自由度FDM型3D打印機(jī)不僅能夠適用于復(fù)雜的空間管道和中空內(nèi)腔零件的打印，并且在打印過程中由于沒有支架材料的產(chǎn)生，節(jié)省了大量時間成本、材料成本、以及后處理過程中的人力成本。當(dāng)前中國的制造業(yè)正走在崛起的道路上，先進(jìn)制造、智能制造是我國制造業(yè)未來發(fā)展的趨勢所在，希望此次薩馳杯中優(yōu)秀的參賽作品能夠?yàn)閲业南冗M(jìn)制造進(jìn)程獻(xiàn)力。

（R-01）

TP23

1009-797X（2015）23-0063-04

B

10.13520/j.cnki.rpte.2015.23.016

曹晟（1994-）男，就讀于上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院熱能與動力工程專業(yè)，大四學(xué)生，目前主要從事能源監(jiān)測與管理方向的研究。

2015-10-28