多頭熔融沉積成型3D打印機設計

洪騰蛟, 丁鳳娟, 孟凡盛，陳康迪，陳 豐

(1. 安徽科技學院 機械工程學院，安徽 鳳陽 233100；2. 安徽科技學院 資源與環(huán)境學院，安徽 鳳陽 233100)

多頭熔融沉積成型3D打印機設計

洪騰蛟1, 丁鳳娟1, 孟凡盛1，陳康迪2，陳 豐1*

(1. 安徽科技學院 機械工程學院，安徽 鳳陽 233100；2. 安徽科技學院 資源與環(huán)境學院，安徽 鳳陽 233100)

針對3D打印機的使用成本高、打印效率低的弊端，提出3D打印機的低成本、多頭高效打印的生產模式。依據熔融沉積成型原理設計了多打印頭3D打印機,并與單打印頭3D打印機進行對比實驗，結果表明據此設計的多頭3D打印機，能夠3～5倍提高工作效率和設備利用率，快速完成產品的生產工作，為3D打印機在工業(yè)生產中的高效快捷生產提供了研究方向。

3D打印機；快速成型；打印機設計；高效打印

3D打印(3D Printing)，屬于快速成型技術(Rapid Prototyping，簡稱RP)。廣泛應用于機電、教育、醫(yī)療衛(wèi)生等行業(yè)，并已取得了諸多成就。大力發(fā)展3D打印技術已成為各界共識，并將其譽為“第三次工業(yè)革命”的引發(fā)劑，將會帶來巨大的社會變革[1]。美國、中國、日本等國相繼出臺了一系列激勵政策，從政府層面推動3D打印事業(yè)的前進與發(fā)展。

從1986年第一臺3D打印機面世以來[2]，經過30年的快速發(fā)展，各種高新技術的不斷融入，現(xiàn)已發(fā)展出了熔融沉積成型 (FDM)、數(shù)字光處理成型(DLP)、立體平板印刷成型(SLA)、選擇性激光燒結成型(SLS)[3]以及人體活細胞生物3D打印機[4]等多種類型。其中，熔融沉積成型 (FDM)3D 打印機，以其結構簡潔、成本低廉和易于操作的人機界面等優(yōu)勢，占據了目前3D 打印機的主流市場[5]。但其也有著工作效率低、打印產品強度和表面質量差等缺陷[6]?，F(xiàn)今大多通過高速打印和使用易于成型的材料來提高工作效率，對打印機結構的研究較少。通過實驗來探索和驗證多頭FDM型3D打印機的可行性，以及對打印效率的影響。

1 多頭熔融沉積成型3D打印機原理與數(shù)字化建模

1.1 原理簡述

該多頭熔融沉積成型3D打印機的多組打印頭并列位于X軸上[7]，工作步調一致，同啟同停，采用自下而上(bottom-up)逐層打印熔融沉積成型原理[8]，將多組打印頭內的熱熔性材料加熱熔化，通過打印頭沿模型截面輪廓和填充軌跡噴射至工作臺冷卻固化，層層堆積而得到實體產品。利用三維軟件繪制出三維模型，通過分層切片軟件將繪制好的三維模型切片處理成為若干個能夠控制打印頭運行的二維平面數(shù)據，并設置好模型懸臂部位的打印支撐類型和模型的打印比例，將處理好的數(shù)據導入3D打印機中，利用打印機芯片讀取該二維平面數(shù)據，同步驅動多組打印頭的運動，進行逐層堆積打印。每打印完一層，Z軸帶動打印頭上升一定高度(即分層厚度，可通過切片軟件設置)，進行下一層打印，以此類推，直至形成整個實體模型[9]。與傳統(tǒng)制造業(yè)的減材制造相比，3D打印(增材制造)具有節(jié)約性，同時也降低了制造工藝的復雜程度，具有較強的推廣實用性。

1.2 數(shù)字化建模

打印機采用工作穩(wěn)定、簡潔耐用的定梁式龍門架結構；傳動軸選用高精度的滾珠絲杠副和高頻淬火的導軌傳動，保證運行精度和使用壽命；X、Y、Z軸運動行程均達到600 mm以上，面向工業(yè)級產品設計；各軸均采用步進電機加編碼器驅動，實行閉環(huán)控制，數(shù)字化設置運動量，適時自動調整運動偏差；先進的可觸彩色TFT屏幕，擁有數(shù)顯和終端輸入功能。

該多頭3D打印機可根據產量要求適時增減打印頭數(shù)量，各打印頭與床身之間采用便于安裝和拆卸的卡槽結構，便于逐個調平，多組打印頭可以同時工作，可以打印不同色澤的耗材，增加色彩多樣性，同時能夠成倍提高工作效率；采用遠程送料模式，為打印頭的安裝與調試提供足夠的空間，有效避免擠出電機工作時的共振效應；打印頭安裝支架上標有刻度，便于調整打印頭的間距，無需借助于外界標尺，減小累積誤差，提高調節(jié)精度。打印機整機圖和多頭布局圖見圖1。

a.多頭FDM型3D打印機整機圖

b.多頭FDM型3D打印機打印頭系統(tǒng)布局

圖1 多頭3D打印機數(shù)字化模型

Fig.1 The digital model of 3D Printer with a Multiple print head Fused Deposition Modeling

1.3 電氣控制系統(tǒng)硬件選型

電氣控制采用STM32微處理器，精準控制打印機的運動、溫控和進給系統(tǒng)；傳動軸使用輸出力矩為1.8 Nm的57BYG250C步進電機驅動，TB6600驅動器，3200細分數(shù)；行程限位采用高靈敏度光電式感應開關；并將擠出電機信號線接口并聯(lián)，以保證多打印頭工作時的擠出量一致。主程序控制流程圖，參見圖2。

圖2 主程序控制流程圖

圖3 測試模型切片處理

2 測試模型構建與打印

設置外形尺寸為50 mm×50 mm，高度為5 mm，中間開有直徑Φ 20 mm通孔的正方形模型，對本實驗設計研發(fā)的多頭3D打印機進行打印效率和尺寸精度測試。采用Cura分層軟件對模型按照1 ∶1比例進行切片處理，并將處理好的G代碼保存到SD卡中導入打印機進行打印。參見圖3。

本實驗機型選用兩組打印頭同時打印，分別編號為3D001、3D002。并設置單頭3D打印機作為對比實驗，編號為3D003。實驗選用1.75 mm±0.02 mm直徑粘滯性能較好的并可以生物降解材料聚乳酸(PLA)[10]按照表1參數(shù)設定進行打印。

表1 參數(shù)設定

對比打印試驗參見圖4。

a.多頭3D打印機打印測試

b.單頭3D打印機打印測試

圖4 對比試驗

Fig.4 Comparative test

3 產品檢測

本驗證實驗所選用多頭3D打印機和單頭3D打印機分別打印五組測試模型，通過對模型的外觀目視和觸摸檢測,多頭3D打印機兩組打印頭所打印的模型表面階梯效應i[11]明顯優(yōu)于單頭3D打印機打印的模型。使用得力牌0～130 mm游標卡尺和上海恒量牌0～25 mm外徑千分尺對模型長、寬、高、孔徑四個元素進行尺寸測量，測量結果參見表2。

表2 尺寸檢測

圖5為各元素測量數(shù)據對比，由圖可知多頭3D打印機的兩組打印頭所打印的3D001號模型和3D002號模型的長、寬、高、直徑的公差跳動均在0.2 mm以內，小于單頭3D打印機所打印的3D003號模型的0.4 mm，達到了FDM型3D打印機的較高水平，尺寸精度更高，更能滿足工業(yè)生產要求。由對比實驗可知：本實驗設計研發(fā)的多頭3D打印機的工作效率和設備利用率是單頭3D打印機的兩倍，且其生產的產品表面質量和尺寸精度明顯優(yōu)于現(xiàn)今通用的單頭FDM型3D打印機。

圖5 各元素測量數(shù)據對比

Fig.5 Measurement data contrast of each element

4 結論

綜上所述，多頭熔融沉積成型3D打印機可根據產量要求適時增減打印頭數(shù)量，考慮到機床X軸的尺寸與運行空間限制，可增加3～5組打印頭，提高3～5倍打印效率，節(jié)省了大量時間，提高了設備利用率，適應于不同批量的生產要求；可使用不同色澤線材，打印不同顏色的產品，增加色彩多樣性；多組打印頭之間的間距可根據打印頭安裝板上的刻度尺準確調節(jié)，不需使用外界測量工具，減少累積誤差。本文提出的多頭熔融沉積成型3D打印機的研究思路，對提高3D打印機的工作效率具有一定的指導價值。

[1]王飛躍. 從社會計算到社會制造:一場即將來臨的產業(yè)革命[J]. 中國科學院院刊, 2012, 27(6):658-669.

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[4]西安晚報.我國首臺生物3D打印機面世可打印人體活細胞[EB/OL]. http://news.xinhuanet.com/info/2013-08/08/c_132613479.htm, 2013-08-08.

[5]中關村在線.揭秘3D打印技術之FDM原理[EB/OL]. http://3dprint.ofweek.com/2014-11/ART-132105-8500-28897500.html, 2014-11-03.

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(責任編輯：李孟良)

Design for 3D Printer of a Multiple Print Head Fused Deposition Modeling

HONG Teng-jiao1,DING Feng-juan1,MENG Fan-sheng1,CHEN Kang-di2,CHEN Feng1*

(1. College of Mechanical Engineering, Anhui Science and Technology University, Fengyang 233100, China;2. College of Resources and Environment, Anhui Science and Technology University, Fengyang 233100, China)

The production pattern with low cost and high efficiency of 3 dimensions(3 D) printer was put forward to solve the present penalty of high cost and low efficiency. According to fused deposition molding, a multiple head 3 D printer was designed and compared with the single head one. The experimental results suggested that a multiple head 3 D printer could heighten work efficiency by three to five times, heighten more equipment performance and offer more quick copying than the single head, which provided a research direction for high-efficient and fast production in the industrial production of 3 D printer.

3D Printer; Rapid prototyping; Printer design; High efficiency to print

2016-05-23

安徽省教育廳省級自然科學重點項目(KJ2013A080)；安徽科技學院自然科學一般項目(ZRC2014414)；安徽科技學院穩(wěn)定人才博士啟動基金(LS0995)。

洪騰蛟(1988-)，男，安徽省合肥市人，在讀碩士研究生，主要從事機械技術研究。*通訊作者：陳豐，教授，E-mail:fengchen_12@126.com。

TP23

A

1673-8772(2016)06-0094-05