基于MACH3軟件控制的3D打印機(jī)常見問題

劉子玉　吳海江　楊曉雨　吳俊　李勇　劉昊（徐州工程學(xué)院，江蘇徐州　221000）

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基于MACH3軟件控制的3D打印機(jī)常見問題

劉子玉吳海江楊曉雨吳俊李勇劉昊
（徐州工程學(xué)院，江蘇徐州221000）

【摘 要】3D打印技術(shù)，是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。它與普通打印機(jī)工作原理基本相同，通過電腦控制把“打印材料”一層層疊加起來，最終把計(jì)算機(jī)上的藍(lán)圖變成實(shí)物。隨著3D打印機(jī)的興起，相對3D打印技術(shù)方面的問題也會越來越多。本文將以作者使用MACH3軟件控制制作FDM型3D打印機(jī)發(fā)現(xiàn)的問題為主，結(jié)合查閱的資料，與大家共同探討以找到解決問題的最佳方案。

【關(guān)鍵詞】工作原理常見問題打印效果解決方案

1　FDM型3D打印機(jī)工作原理

采用FDM技術(shù)3D打印機(jī)，噴頭熱熔性絲材（通常為ABS或PLA材料）先被纏繞在供料輥上，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動輥?zhàn)有D(zhuǎn)，絲材在主動輥與從動輥的摩擦力作用下向擠出機(jī)噴頭送出。在供料輥和噴頭之間有一導(dǎo)向套，導(dǎo)向套采用低摩擦力材料制成以便絲材能夠順利準(zhǔn)確地由供料輥送到噴頭的內(nèi)腔。噴頭的上方有電阻絲式加熱器，在加熱器的作用下絲材被加熱到熔融狀態(tài)，然后通過擠出機(jī)把材料擠壓到工作臺上，材料冷卻后便形形成了工件的截面輪廓。［1］

2　常見問題及解決方案

FDM型3D打印機(jī)現(xiàn)在的發(fā)展已經(jīng)趨于成熟，但是還是存在一些問題，結(jié)合作者本人在研究過程中發(fā)現(xiàn)，對一些問題提出自己的見解。

2.1溫度控制問題及解決方法

FDM型3D打印機(jī)打印材料為ABS和PLA兩種，ABS材料的熔點(diǎn)為210-250度，PLA材料的熔點(diǎn)在180-200度，加熱溫度偏低，材料的流動性較差，噴嘴出絲不均勻，時(shí)快時(shí)慢，導(dǎo)致打印出來的實(shí)體分層現(xiàn)象嚴(yán)重。加熱溫度偏高，材料流動性雖好，但是溫度過高會使材料碳化，造成噴嘴的堵塞。

現(xiàn)在市場上主要采用單片機(jī)控制3D打印機(jī)的加熱，價(jià)格比較昂貴。單片機(jī)用的軟件大多都是開源的，所以打印的穩(wěn)定性專業(yè)性無法保證。出于成本考慮，作者沒有采用單片機(jī)進(jìn)行溫度控制。而是采用REC-100型繼電器輸出溫控儀來控制加熱溫度。此款溫控儀可以直接輸出12V電壓來控制加熱管的工作。與采用軟件控制溫度相比，溫控儀控制精度更高，而且加熱較平緩。溫控儀可以直接使用外部面板調(diào)節(jié)加熱溫度，操作更加方便快捷。

2.2打印錯(cuò)位問題

打印錯(cuò)位問題是3D打印機(jī)常見問題，作者在調(diào)試過程中也曾多次遇到。引起打印錯(cuò)位的原因有很多，常見的錯(cuò)位原因有以下幾個(gè)。

（1）切片模型錯(cuò)誤?，F(xiàn)在用的最常見的軟件是Cura、Repetier這兩種。開源軟件在打印過程中無法保證穩(wěn)定。還有每個(gè)設(shè)計(jì)模型圖出來不一定就是完美適合軟件，所以打印錯(cuò)位首先模型圖不換，把模型圖重新切片，模型移動個(gè)位置也好，讓軟件重新生成GCode打印。

（2）電壓不穩(wěn)定。電源是否穩(wěn)定直接影響到步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。打印錯(cuò)位時(shí)注意是否為有大功率電器電閘關(guān)閉使電壓波動，如果有，打印電源加上穩(wěn)壓設(shè)備。如果沒有，觀察打印錯(cuò)位是否每次噴嘴走到同一點(diǎn)出現(xiàn)行程受阻，噴嘴卡位后出現(xiàn)錯(cuò)位，一般是X、Y、Z軸電壓不均，調(diào)整主板上X、Y、Z軸電流使其通過三軸電流基本均勻。

（3）同步帶松動、步進(jìn)電機(jī)拖動力不足。同步帶在使用一段時(shí)間后會失去彈性，如果出現(xiàn)丟步現(xiàn)象，可以嘗試更換同步帶。此外，步進(jìn)電機(jī)拖動力不足也會導(dǎo)致丟步現(xiàn)象的產(chǎn)生。針對這種情況，可以更換更大功率的電機(jī)或者重新設(shè)計(jì)擠出機(jī)部分結(jié)構(gòu)以減輕重量。

（4）軟件設(shè)置問題。作者在制作過程中使用MACH3軟件進(jìn)行控制。在排除上述問題后，作者嘗試對軟件中步進(jìn)電機(jī)的控制參數(shù)進(jìn)行修改調(diào)試。圖1為不同參數(shù)設(shè)置下的打印效果。

圖1為不同參數(shù)設(shè)置下迷宮模型打印效果。（表1）

在第一組所示參數(shù)設(shè)置下，步進(jìn)電機(jī)速度曲線較陡，加速過快，丟步現(xiàn)象嚴(yán)重，打印時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重的錯(cuò)位。

第二組參數(shù)下步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動曲線十分平緩，加速度參數(shù)較圖1減少200，打印效果略有提高，但錯(cuò)位現(xiàn)象仍然存在，且打印速度大大減慢。

第三組參數(shù)主要變化為步進(jìn)脈沖設(shè)置，增加步進(jìn)脈沖，延長步進(jìn)電機(jī)脈沖時(shí)間，可以是步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行更加平穩(wěn)準(zhǔn)確，大大減少了步進(jìn)電機(jī)的丟步情況，從而解決了打印錯(cuò)位的狀況。

圖1.1

圖1.2

圖1.3

2.3噴嘴堵塞問題

噴嘴堵塞是3D打印機(jī)最常見的問題之一，造成這一現(xiàn)象的原因

············

很多，受篇幅限制，本文僅說明幾個(gè)常見的產(chǎn)生原因。

表1　

（1）材料質(zhì)量。市場上3D打印機(jī)的耗材很多，價(jià)格也不同，高則上萬元一公斤，低則幾十塊錢一公斤。在使用廉價(jià)的耗材時(shí)發(fā)生過多次噴嘴阻塞的情況，在清理噴嘴時(shí)發(fā)現(xiàn)這些耗材大多有內(nèi)里中空的問題。這導(dǎo)致在向下送絲的過程中，耗材與管壁緊貼，不能及時(shí)融化，從而阻塞了液體流動的通道，導(dǎo)致噴嘴堵塞。

（2）加熱溫度過高 或噴嘴中有異物。PLA材料和ABS材料都有著固定的熔點(diǎn)，溫度控制超過該溫度，材料就會在噴嘴里碳化，長時(shí)間就會導(dǎo)致噴嘴堵住。同樣如果噴嘴中有異物沒有及時(shí)清除，也會嚴(yán)重影響 噴嘴的出絲，甚至堵住噴嘴。 定期的清理可以有效避免這一狀況。

（3）操作問題。沒有正確裝料絲，進(jìn)料塞柱沒有調(diào)整好，或者進(jìn)料齒輪、進(jìn)料喉管、噴頭處有殘留的斷絲，造成3D打印機(jī)無法正常擠出料絲，最終堵塞噴頭。所以，在給設(shè)備更換材料時(shí)應(yīng)該注意以下兩件事：1）在更換料時(shí)，取出材料時(shí)建議先啟動進(jìn)料程序，使噴嘴正常出絲，使噴嘴正常噴膠絲，使進(jìn)料管中的材料連續(xù)性較好，然后再選擇取出膠絲程序。這樣有利于膠絲正常取出。2）在進(jìn)行更換材料時(shí)，不可過于大力量往噴嘴填充膠絲，或者取出材料是不可過于大力量往外拉拔膠絲，這樣都有可能拉斷膠絲而殘留在噴嘴或進(jìn)料通道中而引起堵塞。

作者在研究過程中多次遇到過這些情況，在查閱資料后對如何清理噴嘴有了一定的經(jīng)驗(yàn)。將噴頭溫度手動調(diào)節(jié)至240℃，將前風(fēng)扇拆下，溫度達(dá)到后，手動往進(jìn)料喉管中擠壓膠絲，使噴嘴正常出絲。接著拔出膠絲，再次進(jìn)入進(jìn)料喉管后，稍等膠絲熔化后拔出膠絲，使半熔化的膠絲將噴嘴中的殘留物帶出。反復(fù)操作幾次。使用鋼絲疏通噴嘴。然后重復(fù)。將噴頭拆下，放于丙酮溶液中清洗。

2.4打印上表面凹陷及拉絲問題

在打印較大的物體時(shí)，經(jīng)常會出現(xiàn)物體上表面凹陷的情況。產(chǎn)生的原因是材料冷卻不及時(shí)。針對這一現(xiàn)象，作者對3D打印機(jī)擠出機(jī)做了一定的改進(jìn)。在步進(jìn)電機(jī)下方安裝一個(gè)渦輪風(fēng)扇，并設(shè)計(jì)一個(gè)風(fēng)道蓋與風(fēng)扇配合使用，用風(fēng)扇直接為打印體散熱。此法可以快速降溫，使物體快速冷卻，解決凹陷。

拉絲也是打印過程中常見問題之一。拉絲問題是3D打印的一大難題，打印頭在非打印狀態(tài)下移動時(shí)，打印頭滴落部分細(xì)絲。解決這個(gè)問題目前還沒有好的方法，比較有效的方法是適當(dāng)調(diào)低加熱溫度。大多數(shù)打印機(jī)都有回縮功能，啟動此功能后，在非打印狀態(tài)下移動打印頭前打印機(jī)就會縮進(jìn)細(xì)絲。這樣就不會有多余的塑料材料從打印頭滴落，形成拉絲了。此外，還可以嘗試使用流動性較弱的材料，都能有效地減少拉絲現(xiàn)象。

3　結(jié)語

目前3D打印機(jī)主要運(yùn)用于航空航天、醫(yī)療設(shè)備、高科技研發(fā)及制造業(yè)。然而現(xiàn)在的3D打印機(jī)還存在著精度低、材料受限、時(shí)間過長等問題，但是隨著科技的發(fā)展，3D打印技術(shù)一定會日益完善。我相信隨著這些問題被一一解決，3D打印機(jī)也會走入平常百姓的家庭。本文所述的僅僅是作者的一些經(jīng)驗(yàn)之談，希望對進(jìn)行3D打印制作的工作者們有所幫助。

參考文獻(xiàn)：

［1］王瑞玲.3D打印機(jī)設(shè)計(jì)的初步分析［D］.黑龍江:黑龍江生態(tài)工程職業(yè)學(xué)院.

作者簡介：劉子玉（1995—），男，漢族，江蘇徐州人，本科在讀，徐州工程學(xué)院，機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化。