石路晶 謝久明

摘 ?要：為了將傳統(tǒng)的FDM 3D打印機(jī)更好地應(yīng)用到教育領(lǐng)域，特開(kāi)發(fā)了適合兒童及零基礎(chǔ)成人的3D打印機(jī)。該設(shè)備采用低溫聚己內(nèi)酯材料以確保使用安全，另外其外形尺寸小巧適合家庭等場(chǎng)景使用。在操作方面采用內(nèi)置云端模型庫(kù)的方式降低了建模的難度，精度方面采用直角坐標(biāo)模式及雙直線導(dǎo)軌來(lái)保證，集成控制單元選擇使用樂(lè)積科技的LERDGE-K來(lái)操控打印機(jī)的動(dòng)作，保證其有序完整地完成打印過(guò)程。

關(guān)鍵詞：3D打印 ?桌面級(jí) ?低溫打印材料

中圖分類號(hào)：TP33 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2019）10（b）-0001-04

近年來(lái)3D打印產(chǎn)業(yè)持續(xù)升溫，F(xiàn)DM型桌面級(jí)3D打印機(jī)不斷地被應(yīng)用到STEAM教育領(lǐng)域，為中國(guó)的兒童青少年教育提供了良好的平臺(tái)，該設(shè)備研發(fā)針對(duì)兒童的使用特點(diǎn)，是一種小型化、低溫化的迷你桌面級(jí)FDM型3D打印機(jī)（見(jiàn)圖1）。

FDM是3D打印中的熔融沉積成型技術(shù)，打印時(shí)采用的堆疊薄層的形式有多種多樣。常用的3D打印機(jī)采用的是熔融沉積快速成型。熔融沉積又叫熔絲沉積[1]，它是將絲狀熱熔性材料加熱融化，通過(guò)帶有一個(gè)細(xì)的噴嘴的噴頭噴出來(lái)。從熱噴嘴擠出的材料，沉積在制作面板或者前一層已固化的材料上，溫度低于固化溫度后開(kāi)始固化，通過(guò)材料的層層堆積形成最終成品。

1 ?微型低溫FDM 3D打印機(jī)具體特點(diǎn)

1.1 使用材料特點(diǎn)

目前用于FDM型3D打印機(jī)最常見(jiàn)的打印材料是PLA（聚乳酸）和工程塑料ABS（丙烯晴-丁二烯-苯乙烯共聚物），其他樹(shù)脂材料如PC（聚碳酸酯）、PP（聚丙烯）等，雖然其性能優(yōu)良但在3D打印領(lǐng)域的應(yīng)用還需進(jìn)一步研究。PLA樹(shù)脂從玉米、木薯中提取原料生產(chǎn)，其具有可生物降解是一種綠色環(huán)保的材料;作為3D打印的材料其具有性能穩(wěn)定、打印過(guò)程中不產(chǎn)生有毒物質(zhì)、打印出的制品表面光澤度好等優(yōu)勢(shì)。但是PLA樹(shù)脂的熔融溫度為180℃～200℃，這就使得其3D打印時(shí)噴嘴溫度為200℃，熱床溫度50℃，低齡兒童進(jìn)行3D打印操作時(shí)會(huì)有燙傷的危險(xiǎn)。ABS樹(shù)脂則是載3D打印時(shí)會(huì)釋放出微毒氣體，更不適合兒童使用。而該研究中使用的材料PCL（聚己內(nèi)酯）樹(shù)脂是一種新型生物基聚酯材料，它的熔點(diǎn)為60℃，也是一種生物可降解材料，自然環(huán)境下其6～12個(gè)月即可完全降解。這樣其3D打印時(shí)噴嘴溫度為60℃左右，熱床溫度為15℃～25℃，與其他材料相比大大提高了使用的安全性。材料性能對(duì)比見(jiàn)表1。

1.2 設(shè)備精度特點(diǎn)

該設(shè)備采用了雙直線導(dǎo)軌（臺(tái)灣CPC）以保證平行度。CPC導(dǎo)軌采用了滾動(dòng)導(dǎo)引，鋼珠位于滑塊和滑軌之間做滾動(dòng)循環(huán)，使得負(fù)載平臺(tái)在導(dǎo)軌上可輕松地、高精度地進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，滑塊與滑軌間被設(shè)計(jì)成束制單元結(jié)構(gòu)，這樣的設(shè)計(jì)使CPC直線導(dǎo)軌就可同時(shí)承受各方向的負(fù)荷。同時(shí)機(jī)臺(tái)裝配時(shí)配合滾珠螺桿使用將會(huì)極大地改善設(shè)備運(yùn)行精度與機(jī)械效能。與傳統(tǒng)的滑動(dòng)導(dǎo)引相較，滾動(dòng)導(dǎo)引的摩擦系數(shù)可降低到原來(lái)的1/50，這樣設(shè)備運(yùn)行時(shí)摩擦力就會(huì)大大減少，由此產(chǎn)生的無(wú)效運(yùn)動(dòng)也相對(duì)會(huì)較少發(fā)生，定位精度就能輕易達(dá)到微米級(jí)進(jìn)而保證了該設(shè)備運(yùn)行的精度。

1.3 操作簡(jiǎn)化的特點(diǎn)

傳統(tǒng)的3D打印機(jī)要想使用的操作步驟如圖2所示。

但FDM 3D打印機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程非常簡(jiǎn)單，省去了傳統(tǒng)的建模過(guò)程，內(nèi)置云端模型庫(kù)可以直接使用已有的成品模型，這樣簡(jiǎn)化了繁瑣的建模過(guò)程，對(duì)于一些孩童或者沒(méi)有建?；A(chǔ)的人來(lái)說(shuō)3D打印也變得易于實(shí)現(xiàn)。

其次是切片環(huán)節(jié)，較傳統(tǒng)切片方式其不需要輸入切片程序，該產(chǎn)品嵌入了切片軟件CURA，真正實(shí)現(xiàn)了一鍵打印。從建模到加工再到切片處理這些都可以直接完成。

2 ?微型FDM打印機(jī)設(shè)計(jì)

2.1 外殼部分設(shè)計(jì)

2.1.1 3D打印部分制作外殼

由于目標(biāo)受眾為兒童或者零建?；A(chǔ)人員，所以整體體積偏小，設(shè)計(jì)打印體積在120mm×100mm×100mm，外殼部分主結(jié)構(gòu)采用3D打印制作，圖3為外殼主結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖。

外殼為滿足后期應(yīng)力需求、精度要求以及使產(chǎn)品更輕量化，所以采用如下參數(shù)打印。

（1）0.2mm層厚滿足裝配精度要求的同時(shí)加快了打印周期。

（2）填充30%滿足產(chǎn)品輕量化的同時(shí)節(jié)省了打印時(shí)間，又能保證應(yīng)力需求。

（3）采用FastHoneycomb六邊形內(nèi)部填充圖案，在30%填充的基礎(chǔ)上錦上添花，使主結(jié)構(gòu)更耐用、更可靠。整體打印路徑如圖4所示。

2.1.2 ?亞克力保護(hù)罩制作

為滿足打印過(guò)程中的觀賞性，所以采用透明亞克力來(lái)制作保護(hù)罩。中途使用了亞克力切割工藝、熱折彎工藝、水刀切割工藝，如圖5所示。

2.2 運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

參照產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖，將配件按順序裝配進(jìn)保護(hù)殼內(nèi)如圖6所示。

2.3 硬件設(shè)計(jì)

桌面級(jí)FDM 3D打印機(jī)的硬件部分主要包括主控板、線材擠出部分、加熱部分、傳動(dòng)部分等。

2.3.1 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)部分

該研究設(shè)計(jì)的3D打印機(jī)設(shè)計(jì)采用笛卡爾坐標(biāo)模式，共有X、Y、Z這3個(gè)方向，每個(gè)方向上采用兩根金屬光桿并行的方式作為傳動(dòng)方式，這種傳動(dòng)方式使3D打印機(jī)在打印時(shí)運(yùn)行速度快、定位精度高、運(yùn)行平穩(wěn)。

另外3D打印機(jī)電路部分在打印機(jī)中的主要作用是控制整個(gè)3D打印過(guò)程協(xié)調(diào)、有序、完整地運(yùn)行。

2.3.2 送絲機(jī)部分

桌面級(jí)FDM 3D打印機(jī)通常有兩種送絲方式：遠(yuǎn)端送絲與近端送絲。近端送絲方式是打印頭的附近安裝擠出裝置，絲狀打印材料被擠出機(jī)擠出后進(jìn)入打印機(jī)喉管部分，喉管中的加熱裝置將其融化后開(kāi)始打印。

遠(yuǎn)端送絲擠出裝置安裝的位置離打印機(jī)頭較遠(yuǎn)，多數(shù)情況下會(huì)安裝在打印機(jī)的框架上，絲狀材料會(huì)通過(guò)送料管傳送到3D打印機(jī)頭，然后加熱融化打印。

兩種送絲方式中近端送絲由于靠近打印機(jī)打印頭導(dǎo)致其重量較大，因此在打印時(shí)的產(chǎn)生的慣性也大，這樣打印機(jī)在運(yùn)行時(shí)會(huì)發(fā)生抖動(dòng)從而影響3D打印的精度。而遠(yuǎn)端送絲不如近端送絲靈活，在制作一些模型需要3D打印機(jī)在送絲時(shí)有回抽的動(dòng)作，這時(shí)遠(yuǎn)端送絲的方式制作出來(lái)的制件表面質(zhì)量就會(huì)很差。在進(jìn)行多次比較權(quán)衡下，根據(jù)我們選用的電機(jī)型號(hào)以及該打印機(jī)小巧的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在該設(shè)備中我們選擇了近端送絲的方式。

2.3.3 打印頭部分

目前3D打印機(jī)大多數(shù)采用加熱棒來(lái)加熱融化絲狀材料，3D打印絲狀材料在擠絲機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，進(jìn)入打印頭，在加熱棒的加熱下熔化后進(jìn)入噴嘴，最后由噴嘴擠出進(jìn)行打印。噴嘴堵塞是3D打印過(guò)程中最容易發(fā)生的故障之一，一般是由于加熱棒加熱溫度不夠時(shí)而擠出機(jī)仍在工作，或是由于風(fēng)扇未開(kāi)啟風(fēng)扇功率小導(dǎo)致散熱不到位而造成絲狀3D打印材料[2-5]還未進(jìn)入喉管就已融化，喉管?chē)娮觳糠侄氯?，另外打印材料的純度不高也?huì)造成噴嘴堵塞現(xiàn)象的產(chǎn)生。

2.3.4 電機(jī)部分

運(yùn)動(dòng)力供給單元是通過(guò)電流的高低電頻波形來(lái)精確驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的電機(jī)，電流的高低電頻波形是通過(guò)與運(yùn)動(dòng)力供給單元對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)單元來(lái)提供的。根據(jù)項(xiàng)目要求，此次使用的運(yùn)動(dòng)力供給單元型號(hào)為42，長(zhǎng)寬為42mm，具有兩個(gè)相位，4條信號(hào)線控制，每一次高低電頻波形驅(qū)動(dòng)其轉(zhuǎn)動(dòng)1.8°，即200個(gè)高低電頻使運(yùn)動(dòng)供給單元旋轉(zhuǎn)360°。它的動(dòng)力輸出端是一個(gè)直徑為5mm的合金軸，扭矩?cái)?shù)值與型號(hào)對(duì)應(yīng)，此項(xiàng)目需要5個(gè)42型運(yùn)動(dòng)力供給單元，分別分步在X軸一個(gè)，Y軸一個(gè)，Z軸兩個(gè)，擠出軸一個(gè)。運(yùn)動(dòng)力供給單元的輸出端配合同步橡膠帶齒輪與同步橡膠皮帶連接，可以根據(jù)數(shù)據(jù)計(jì)算出同步橡膠帶移動(dòng)1mm是所需要的高低電頻波形的數(shù)值。可以通過(guò)公式進(jìn)行運(yùn)算：高低電頻波形數(shù)=運(yùn)動(dòng)力供給單元輸出端旋轉(zhuǎn)360°所用的高低電頻波形數(shù)目×驅(qū)動(dòng)單元的細(xì)分?jǐn)?shù)目÷同步橡膠帶齒間距÷同步橡膠帶齒輪上齒的數(shù)量[6]。

2.4 軟件設(shè)計(jì)

2.4.1 下位機(jī)

集成控制單元根據(jù)項(xiàng)目要求選擇使用樂(lè)積科技的LERDGE-K主控集成電路板，控制單元內(nèi)燒錄了開(kāi)源的MARLIN固件，MARLIN固件為開(kāi)源固件，所有信息端口開(kāi)放，可以通過(guò)改變與打印機(jī)運(yùn)動(dòng)力供給單元對(duì)應(yīng)的高低電頻波形數(shù)與設(shè)備的運(yùn)行規(guī)則進(jìn)而控制打印機(jī)移動(dòng)。主要應(yīng)用的信息端口為高低電頻波形輸出端，運(yùn)動(dòng)限制端，溫控PID自主適應(yīng)端，數(shù)據(jù)信息屏顯反饋端。

2.4.2 上位機(jī)

G-Code代碼為一般三軸數(shù)控設(shè)備的通用語(yǔ)言格式，普通3D打印機(jī)也使用這種語(yǔ)言格式，Simplify3D對(duì)于G-Code代碼生成，編譯、傳輸?shù)哪芰υ诿裼肍DM3D打印機(jī)上位機(jī)軟件中非常出眾。與之相同定位的軟件還有Repetier-Host、Cura等。Simplify3D與之相比細(xì)節(jié)調(diào)整更為詳細(xì)，代碼傳輸失誤率低，設(shè)備移動(dòng)算法更為高效。綜上Simplify3D使用較為方便快捷，故使用Simplify3D作為此項(xiàng)目的上位機(jī)。

2.5 電控系統(tǒng)搭建

參照產(chǎn)品電器設(shè)計(jì)圖，將電子元器件按順序安裝，并測(cè)試使用性能，如圖7所示。

2.6 測(cè)試并調(diào)試

對(duì)已組裝完成的微型FDM 3D打印機(jī)進(jìn)行打印測(cè)試。測(cè)試要求及目的如下。

（1）滿程打印，對(duì)打印機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。

（2）PCL材料打印，對(duì)打印機(jī)主打材料的打印參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。

（3）長(zhǎng)時(shí)間打印，對(duì)打印機(jī)的穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)證。

最終將得出的測(cè)試數(shù)據(jù)反饋并對(duì)應(yīng)出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行調(diào)整，以助于最終完善微型FDM 3D打印機(jī)。

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