王力 闞宇

摘 要：自主組裝完成的一款3D打印機(jī)，采用Arduino作為核心板調(diào)試代碼，控制步進(jìn)電機(jī)完成FDM技術(shù)打印任務(wù)，還原了電影中人物造型，將鋼鐵俠成功塑形。分析了FDM技術(shù)遇到的問題和原因，并進(jìn)一步完善作品的制作。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù)；FDM技術(shù)；模型

中圖分類號(hào)：TP334 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）36-0140-02

Abstract： A self-assembled 3D printer， using Arduino as the core board debugging code， controls the stepping motor to complete the FDM printing task， restores the characters in the film， and builds the character like the iron man successfully. This paper analyzes the problems and causes of FDM technology， and further improves the making of the works.

Keywords： 3D printing technology； FDM technology； model

1 3D技術(shù)簡(jiǎn)介

3D[1]技術(shù)是依據(jù)三維CAD數(shù)據(jù)將材料連接制作物體的過程，相對(duì)于減材制造，它是逐層累加過程。在制造過程中，人們可以發(fā)揮想象力，使得工業(yè)裝備逐步走向生活，使得創(chuàng)造更加容易，讓過去繁重和枯燥的勞動(dòng)變成創(chuàng)新生活的樂趣。3D打印[2]在個(gè)人消費(fèi)品領(lǐng)域及個(gè)性化創(chuàng)意的應(yīng)用以及數(shù)量較大的生活用品制造方面將有良好的發(fā)展前景。目前主要局限于材料試用范圍少，制作精度比較低等問題，因此3D打印與人們的生活結(jié)合還比較薄弱，科學(xué)技術(shù)的普及還不夠充分。

3D打印的“制造+服務(wù)”模式將會(huì)改變?nèi)祟惉F(xiàn)有的生活方式，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)個(gè)性化的精神層面需求，越來(lái)越多的家庭會(huì)應(yīng)用3D打印機(jī)。特別是工業(yè)4.0時(shí)代的到來(lái)，可能會(huì)使人們獲取商品的方式產(chǎn)生變化；消費(fèi)者可以在“淘寶”商城里購(gòu)買到設(shè)計(jì)點(diǎn)子或者3D產(chǎn)品數(shù)據(jù)，可以在平臺(tái)商下單，經(jīng)過3D打印制作、驗(yàn)證、運(yùn)作等流程，轉(zhuǎn)化成汽車、醫(yī)學(xué)、電子電器、日用品等實(shí)體產(chǎn)品[4]。

2 FDM技術(shù)的解決方案

本作品是采用Arduino控制板組裝調(diào)試3D打印機(jī)，運(yùn)行速度快，穩(wěn)定性好，細(xì)膩度高；掌握軟件建模技術(shù)：運(yùn)用3D Studio MAX4創(chuàng)建三維實(shí)體模型，并研究Cura軟件的切片技術(shù)；打印材料選用生物可降解材料，安全環(huán)保；將3D技術(shù)與Arduino技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)軟硬件組裝運(yùn)行，完成《鋼鐵俠》角色的實(shí)體模型。

FDM（Fused Deposition Modeling，熔融沉積成型）技術(shù)方法采用電加熱融化絲狀材料，由三軸控制系統(tǒng)移動(dòng)熔絲材料，逐層堆積成形三維實(shí)體。材料通常為低熔點(diǎn)塑料，先制成絲狀，再通過送絲機(jī)構(gòu)，送進(jìn)噴頭，在噴頭內(nèi)被加熱熔化；噴頭在電路板的控制下沿零件截面輪廓和填充軌跡運(yùn)動(dòng)，將熔化的材料擠出，材料迅速固化，并與周圍材料粘接，通過層層堆積成形，最終完成零件制造。初始零件表面較為粗糙，需要配合拋光技術(shù)處理。塑料材料，熔融成形后零件強(qiáng)度好，系統(tǒng)成本低。最大不足是成形材料種類少，精度略低。

FDM技術(shù)使用的熱塑型材料，是所有3D打印技術(shù)里最廉價(jià)的材料，可以使完成3D打印產(chǎn)品。Arduino是個(gè)完全開源的平臺(tái)，里頭包涵了非常多的庫(kù)，可以自由的組合使用。設(shè)計(jì)圖紙和開源庫(kù)，加上采購(gòu)的鋁型材管，熱床，熱敏電阻，光絲桿等零件，組裝出了這臺(tái)打印機(jī)。將程序燒入主控板，給3D模型切片后就可以打出各種模型，制作了全新的影視特效人物3D模型[3]——鋼鐵俠。模型打印中會(huì)遇到很多問題，有殘缺，翹邊，表面有疙瘩，厚度太薄，導(dǎo)致打印出來(lái)模型強(qiáng)度不夠，打印機(jī)的因?yàn)榱慵p耗導(dǎo)致異響，平臺(tái)涂膠過少導(dǎo)致模型被噴嘴刮倒等各種問題。在不斷的調(diào)試打印機(jī)，最終項(xiàng)目完成質(zhì)量較好的，比較完美的鋼鐵俠人物原型。30年前，Stratasys的創(chuàng)始人申請(qǐng)并獲得了FDM（Fused Deposition Modeling，熔融沉積成型）技術(shù)專利，迄今為止這仍是3D打印最核心的技術(shù)。但是FDM機(jī)型在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)遇到以下的打印問題，并有待解決。

2.1 翹邊

當(dāng)模型打到上層部分時(shí)，底部因?yàn)榕c平臺(tái)附著差，冷熱不均，一些邊角就會(huì)出現(xiàn)翹邊，從而影響模型的精度與美觀。模型底部一個(gè)或多個(gè)角翹起，就無(wú)法水平附著于打印平臺(tái)。會(huì)導(dǎo)致頂部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)橫向裂痕。翹邊是常見問題，往往發(fā)生于第一層塑料因冷卻而收縮時(shí)。模型邊緣因此而卷起。使用加熱打印床，使塑料保持溫度，不至于固化——稱為“玻璃化轉(zhuǎn)變溫度”。第一層材料可平坦地附著于打印床。在打印床上均勻地涂上薄薄一層膠水，增加第一層材料的附著力。確保打印床完美水平?？赡苄枰黾訅|子結(jié)構(gòu)，來(lái)加固打印平臺(tái)的粘著力。即使打印機(jī)有加熱床，還是建議用膠水，并且調(diào)平打印床。

2.2 大象腿

大象腿即模型底部（第一層）設(shè)計(jì)的尺寸寬。為了避免翹邊，用戶常常會(huì)壓扁第一層材料。這容易使底部突出-因此成為“大象腿”。也可能隨著模型重量的增加而對(duì)第一層材料形成擠壓，如果此時(shí)底層還未固化（尤其是打印機(jī)有加熱床的情況下），就可能形成此問題。要想同時(shí)避免翹邊和大象腿，有點(diǎn)難。為了盡可能減少模型底部的突起，建議調(diào)平打印床，打印噴頭略微遠(yuǎn)離打印床（但不要太遠(yuǎn)，否則模型就無(wú)法粘附了）。此外，略微降低打印床溫度。如果是自己設(shè)計(jì)的3D模型，在模型的底部挖個(gè)小倒角。從5毫米和45度的倒角開始試驗(yàn)，直至最理想的效果。

2.3 第一層的打印問題

第一層材料粘附不理想，因此有些結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了松散。底部出現(xiàn)了不需要的材料線。這是打印床沒有調(diào)平的典型案例。如果噴嘴離打印床太遠(yuǎn)，底面就會(huì)出現(xiàn)不需要的線條，或者第一層無(wú)法粘附。如果噴嘴靠得太近，就會(huì)結(jié)塊。此外，打印床要盡可能干凈。打印平臺(tái)的指紋印可能會(huì)影響第一層的粘附。使用打印機(jī)軟件，重新調(diào)平打印平臺(tái)。清理打印平臺(tái)上的指紋印。打印前涂上薄薄一層膠水。

2.4 底部結(jié)構(gòu)收縮

模型底部零部件凹陷。加熱床溫度過高。加熱擠出后的塑料像橡膠一樣：先展開，然后冷卻收縮。打印床的熱度只能傳遞到一定高度（取決于溫度）。此高度以下的塑料保溫和可延展時(shí)長(zhǎng)超過了上方的塑料材料。因此，受上層重量的擠壓，底部凹陷。降低打印床熱度。有些打印機(jī)的打印床默認(rèn)溫度是75℃，然而PLA材料的最佳溫度是50-60度，打印機(jī)內(nèi)低處的冷卻風(fēng)扇全速轉(zhuǎn)動(dòng)。打印小型模型時(shí)，建議一次打印兩份或者同時(shí)打印兩件不同的模型。如此一來(lái)，打印頭在每一層停留的時(shí)間就會(huì)延長(zhǎng)。打印底座大的模型時(shí)，不要降低打印床溫度——否則，容易翹邊。

2.5 傾斜的打印件/層錯(cuò)位

模型的上層移位。X或Y軸的打印頭不易移動(dòng)。X或Y軸沒有對(duì)齊，也就是說(shuō)沒有構(gòu)成100%的直角。有滑輪沒有固定到位。關(guān)掉打印機(jī)電源，徒手試試是否能輕松移動(dòng)各軸。如果感覺僵硬，或者某個(gè)方向更易/較難移動(dòng)，那么在軸上抹一滴縫紉機(jī)油。為了檢查各軸是否對(duì)齊：向打印機(jī)左側(cè)和右側(cè)移動(dòng)打印頭，檢查滑塊間距、兩邊的滑輪。重復(fù)此步驟，檢查打印機(jī)前后。如果存在未對(duì)齊的情況，松開有問題的滑輪螺絲。略微推動(dòng)滑塊，對(duì)齊軸，然后緊固螺絲。另一軸重復(fù)上述步驟。檢查滑輪的螺絲是否緊固。需要的話，進(jìn)行加固。

2.6 層未對(duì)齊

模型中間的一些層出現(xiàn)位移。

打印機(jī)皮帶沒有緊固。頂板沒有加固，圍繞底板搖晃。Z軸有一根桿不夠直。檢查皮帶，根據(jù)需要進(jìn)行加固。檢查頂板，根據(jù)需要進(jìn)行加固。檢查Z軸桿，更換不直的桿。

2.7 丟失層

模型打印中跳過了某些層，導(dǎo)致存在間隙。由于某些原因，打印機(jī)未能在本該打印的層提供所需的塑料材料。這就稱為（臨時(shí)）未擠出?？赡芗?xì)絲（比如直徑有差異）、細(xì)絲卷、送絲輪存在問題或者噴嘴堵塞。打印床摩擦造成了暫時(shí)性的卡死。這是由于垂直桿沒有完全與線性軸承對(duì)齊。Z軸桿或軸承存在問題：桿歪曲、臟或抹油過度。找到桿和軸承的問題，并解決。比如，如果油太多，那就擦掉。如果懷疑桿和軸承沒有對(duì)齊，查閱打印機(jī)用戶指南，了解矯正方式。找到未擠出的原因會(huì)比較難。檢查細(xì)絲卷和送絲系統(tǒng)。打印測(cè)試，看看問題有沒重現(xiàn)——這有助于找到問題。

2.8 高個(gè)模型出現(xiàn)裂痕

模型的側(cè)面出現(xiàn)裂痕。此問題在高個(gè)模型中尤其多見。頂部材料比底部材料降溫快——因?yàn)榧訜岽驳臏囟葻o(wú)法傳遞至高處。因此，頂部材料的黏合度降低。

提高擠出機(jī)溫度——最好提高10℃。打印床溫度提高5-10℃。

2.9 下陷

模型的上表面出現(xiàn)凹陷，甚至有洞。通常是由于冷卻存在問題。上表面不夠厚實(shí)。打印上表面時(shí)，將冷卻風(fēng)扇設(shè)置為最高速。確保上表面至少有6層厚度。

2.10 拉絲

模型零部件間出現(xiàn)不需要的塑料絲。打印頭在非打印狀態(tài)下移動(dòng)時(shí)，打印頭滴落部分細(xì)絲。大多數(shù)打印機(jī)都有回縮功能。啟動(dòng)此功能后，在非打印狀態(tài)下移動(dòng)打印頭前打印機(jī)就會(huì)縮進(jìn)細(xì)絲。這樣就不會(huì)有多余的塑料材料從打印頭滴落，形成拉絲了。確保在分層軟件中啟動(dòng)此功能。

建模文件形體較好，比較還原電影中人物造型。當(dāng)然打印中還出現(xiàn)過擠出機(jī)因?yàn)樗删o問題打滑導(dǎo)致送料不足，噴嘴部分出絲不均導(dǎo)致模型細(xì)節(jié)崩塌，擰緊解決。同樣當(dāng)高強(qiáng)度使用打印機(jī)之后，擠出機(jī)中送料的齒輪因?yàn)槟p而有滑絲，導(dǎo)致送料時(shí)打滑，同樣造成模型打印失真，后更換全新結(jié)構(gòu)的擠出齒輪解決。

模型精度初步達(dá)到了預(yù)期，由于電機(jī)的細(xì)分，擠出頭的更換，散熱更好等原因，打印成品已經(jīng)有基本的精度，在影視道具和設(shè)計(jì)打樣有著比較大的運(yùn)用。

3 結(jié)束語(yǔ)

基于Arduino的3D打印機(jī)，打印速度快、穩(wěn)定性好、細(xì)膩度高， 3D打印技術(shù)將三維實(shí)體加工變成二維平面加工，降低了制造的復(fù)雜度，將自己的想法轉(zhuǎn)化成為現(xiàn)實(shí)。電影中、游戲中的角色，都可以運(yùn)用3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)，例如《鋼鐵俠》、《守望先鋒》、《海賊王》等個(gè)性化的人物。對(duì)3D打印機(jī)的靈活應(yīng)用本身就是一個(gè)創(chuàng)新和創(chuàng)造的過程，形成創(chuàng)造性思維和運(yùn)用3D建模軟件設(shè)計(jì)的習(xí)慣，大膽地去想和做，發(fā)揮和培養(yǎng)創(chuàng)造性的智商。

參考文獻(xiàn)：

[1]瓊·霍瓦特.3D打印技術(shù)指南：建模、原型設(shè)計(jì)與打印的實(shí)戰(zhàn)技巧[M].張佳進(jìn)，等，譯.人民郵電出版社，2016：12-16.

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[4]刁彬斌，蔣禮，王璇，等.小創(chuàng)客輕松玩轉(zhuǎn)3D打印[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2017：32-132.