桌面型FDM 3D打印設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計與精度分析

張文君，方輝，袁澤林，黃紀剛，董秀麗

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桌面型FDM 3D打印設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計與精度分析

張文君，方輝*，袁澤林，黃紀剛，董秀麗

（四川大學 制造科學與工程學院，四川 成都 610065）

目前市面上桌面型FDM 3D打印設(shè)備種類繁多，受到結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、熔融溫度、環(huán)境溫度等多重因素的綜合影響，其打印精度差異明顯。為了提高打印精度，對某一桌面型FDM 3D打印設(shè)備影響精度的相關(guān)缺陷進行了分析，并對設(shè)備的箱體結(jié)構(gòu)、運動系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)、運動控制部分等方面進行優(yōu)化設(shè)計。對設(shè)備優(yōu)化設(shè)計前后的打印件精度進行了對比分析，相關(guān)數(shù)據(jù)表明，改進后的設(shè)備打印精度得到顯著提升，相關(guān)技術(shù)內(nèi)容對提升FDM 3D打印機打印精度具有實際意義。

桌面型FDM 3D打印設(shè)備；機械結(jié)構(gòu)改進；運動控制；共振；精度

近年來，隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，基于各類工藝的3D打印技術(shù)及設(shè)備相繼被研發(fā)并逐漸推入市場，其中基于熔融沉積成型（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM）工藝的3D打印技術(shù)發(fā)展尤為迅速[1]。FDM 3D打印技術(shù)的工作原理是將打印材料加熱至熔融狀態(tài)并從噴嘴擠出，噴嘴根據(jù)實體水平截面形狀選擇性涂覆實體材料或支撐材料，使熔融態(tài)材料逐層堆積，最終形成目標實體。FDM 3D打印設(shè)備由箱體結(jié)構(gòu)，控制、、方向運動的機械結(jié)構(gòu)，噴射結(jié)構(gòu)，控制部分組成[2]，打印耗材包括PLA、ABS等。

目前FDM 3D打印設(shè)備市場發(fā)展迅速，但設(shè)備打印精度普遍偏低。本文選取其中一種桌面型FDM 3D打印機（以下簡稱X型FDM 3D打印機），對其進行實驗研究。分析其機械結(jié)構(gòu)及控制部分存在的缺陷，逐步改進，達到提高設(shè)備打印精度的目的，從而進一步提高設(shè)備性能。

1 X型FDM 3D打印設(shè)備缺陷分析

X型FDM 3D打印設(shè)備機箱為半封閉式結(jié)構(gòu)，由螺釘連接鈑金件制成；其運動系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)中，、方向為同步帶傳動，光桿導向；方向由絲杠螺母傳動，光桿導向；打印工作平臺由三角形平臺基座和玻璃打印平臺構(gòu)成。設(shè)備實物如圖1所示。

圖1 X型FDM 3D打印設(shè)備

經(jīng)反復實驗發(fā)現(xiàn)，該X型FDM 3D打印設(shè)備存在如下缺陷：

（1）機箱結(jié)構(gòu)易引起共振，裝配基準精度較差[3]，易引起系統(tǒng)誤差；

（2）運動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)運動精度較低、摩擦阻力大，增大了系統(tǒng)誤差；

（3）打印工作平臺缺少溫度補償裝置，打印件易出現(xiàn)錯移、翹曲等問題。

因此，本文對該X型FDM 3D打印設(shè)備機械結(jié)構(gòu)及控制部分中，影響打印精度的因素進行分析并逐一優(yōu)化，比較設(shè)備改進前后打印件精度的變化。從機械結(jié)構(gòu)入手，先對設(shè)備箱體結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，并基于此結(jié)構(gòu)優(yōu)化運動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，再對打印平臺結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，最后完成控制部分的優(yōu)化，分別測量設(shè)備每一次改進前后打印件的相關(guān)尺寸，整理數(shù)據(jù)并進行精度誤差分析。

2 X型FDM 3D打印設(shè)備的機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計及精度分析

2.1 X型FDM 3D打印設(shè)備機箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計及精度分析

X型FDM 3D打印設(shè)備其機箱各部分采用螺釘連接，不能起到定位作用，裝配基準精度差，且該種結(jié)構(gòu)的機箱互換性低。其驅(qū)動裝置和運動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)固定聯(lián)接于半封閉式機箱的側(cè)板和底板上。由于打印參數(shù)的限制，設(shè)備運行時，控制、方向運動的兩個步進電機頻率接近，易產(chǎn)生共振[4]。同時，運動系統(tǒng)中同步帶傳動方式、同步帶張緊程度、絲杠與光桿加工精度和剛度等要素，也會引起振動。各結(jié)構(gòu)引起的振動共同作用于機箱，故設(shè)備工作時振動明顯，打印平穩(wěn)性和打印精度較差。因此，針對上述缺陷，對機箱結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。選取開放式鋁型材框架結(jié)構(gòu)[5]，其具有以下優(yōu)點：

（1）鋁型材是標準件，互換性強，后期加工工序簡單，方便裝配與校核，縮短生產(chǎn)周期；

（2）鋁型材框架機箱體積小，振動傳遞的固態(tài)介質(zhì)少，可以有效地降低振動對整臺設(shè)備的影響；

（3）機箱基座占地面積小，基座底部平面度高，平穩(wěn)性好；

（4）機箱采用開放式框架結(jié)構(gòu)，方便打印平臺調(diào)平和打印機的后期擴展與維護工作[6]。

對改進前后的FDM 3D打印設(shè)備分別進行打印實驗，設(shè)定目標打印件為＝40.00 mm、＝5.00 mm的圓柱，記錄兩臺設(shè)備打印出的六個打印件的相關(guān)尺寸，并進行對比分析，如表1所示。

表1 X型FDM 3D打印機改進前后的打印相關(guān)尺寸

由圖2分析可知：優(yōu)化后的FDM 3D打印設(shè)備打印出的零件誤差相對穩(wěn)定，離散程度較小，且誤差更接近于零值，故采用開放式鋁合金框架機箱，可以提高設(shè)備穩(wěn)定性，進而提高打印精度。

圖2 改進前后設(shè)備打印件誤差對比柱狀圖

2.2 FDM 3D打印設(shè)備的運動系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計及精度分析

2.1節(jié)中FDM 3D打印設(shè)備其方向二維運動運用同步帶傳動，光桿導向；方向運動運用絲杠螺母傳動，光桿導向。在打印過程中，同步帶往復運動頻繁，發(fā)熱后易產(chǎn)生跳齒現(xiàn)象[7]，導致設(shè)備振動明顯，進而影響打印精度。

（1）方向傳動裝置的優(yōu)化

優(yōu)化設(shè)計時FDM 3D打印設(shè)備、方向運動機構(gòu)均選用滾珠絲杠、滾動螺母傳動，并配以滾動導軌導向。該傳動方式和導向裝置穩(wěn)定性良好，有效避免了同步帶跳齒引起的精度問題，該結(jié)構(gòu)依靠滾珠絲杠和滾動導軌較高的加工精度、剛度以及良好的裝配平行度來保證機器的運動精度。

將滾珠絲杠和滾動導軌配合使用，可有效減小噴射結(jié)構(gòu)運動時的摩擦阻力，同時還能減小步進電機的負載。滾珠絲杠較于普通絲杠精度更高[8]；滾動導軌精度高，摩擦阻力?。粷L珠絲杠和滾動導軌剛性好，可有效降低振動和噪音，在提高打印精度方面效果顯著。

（2）方向傳動裝置的優(yōu)化

方向運動機構(gòu)選用滾珠絲杠和滾動螺母傳動，光桿導向。一根滾珠絲杠和三根光桿分別安裝于設(shè)備打印平臺的四角。滾珠絲杠和光桿較高的加工精度、剛度以及良好的裝配垂直度有效保證了打印平臺向運動的垂直度和穩(wěn)定性。

該結(jié)構(gòu)使得滾珠絲杠和光桿受力均勻，消除了上述設(shè)備因工作臺懸臂產(chǎn)生的力矩。滾珠絲杠與光桿剛性、精密度良好，有效降低了Z向運動的摩擦阻力，減弱了工作臺的振動，提高了工作臺的運動精度與平穩(wěn)性。

對上述改進前后的FDM 3D打印設(shè)備分別進行打印實驗，設(shè)定目標打印件為＝40.00 mm、＝5.00 mm的圓柱，記錄兩臺設(shè)備打印出的六個打印件的相關(guān)尺寸，并進行對比分析，如表2所示。

表2 圓柱打印件直徑及誤差（一）

由表2分析可得，改進后設(shè)備打印零件的尺寸誤差平均值縮小到0.10 mm，圖3表明改進后設(shè)備打印件尺寸誤差值波動范圍更小且相對平穩(wěn)，可見運動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化對打印精度的提高極其重要。

圖3 2.1節(jié)設(shè)備改進前后打印件誤差對比柱狀圖

2.3 FDM 3D打印設(shè)備的打印工作平臺結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計及精度分析

上述經(jīng)優(yōu)化的FDM 3D打印設(shè)備其打印工作平臺由三角形平臺基座和玻璃打印工作平臺構(gòu)成。玻璃材質(zhì)平臺易碎，不便于安裝；因玻璃光潔度高，在打印過程中，零件基層固定不牢，易產(chǎn)生錯移、翹曲等現(xiàn)象[9]，致使打印件出現(xiàn)明顯誤差，甚至無法成形[10]。

為提高設(shè)備的性能,本文對打印工作平臺的結(jié)構(gòu)進行以下改進：

（1）選用鋁板作為打印工作平臺，鋁板強度高、擠壓變形微小，降低了機器故障時打印工作平臺的報廢率。

（2）工作平臺基座選用鏤空的矩形鋁板材，鏤空結(jié)構(gòu)易于固定打印工作平臺與熱床，同時使熱床底部散熱良好，避免了預熱不均的現(xiàn)象。

（3）打印工作平臺表面粘貼美工紙，該美工紙具有粗糙度適宜、互換性強、價廉環(huán)保的優(yōu)點，有效解決了打印件基層粘接不牢、錯移、翹曲等問題。

（4）在打印工作平臺與基座之間安裝溫度補償裝置——熱床[11]，使打印件預熱均勻，粘接牢固，減輕了錯移、翹曲等現(xiàn)象，提高打印件成型率。

對2.2節(jié)的FDM 3D打印設(shè)備于改進前后分別進行打印實驗，設(shè)定目標打印件為＝40.00 mm、＝5.00 mm的圓柱，記錄兩臺設(shè)備打印出的六個打印件的相關(guān)尺寸，并進行對比分析，如表3所示。

表3 圓柱打印件直徑及誤差（二）

由表3分析可得，打印工作平臺結(jié)構(gòu)改進后該設(shè)備打印出的零件尺寸平均誤差減小。由圖4可知，增設(shè)熱床后，零件尺寸誤差總體呈現(xiàn)減小趨勢，誤差值波動稍大。故熱床的溫度補償效果顯著，對提高打印件精度起到了積極作用。觀察打印件形狀可知打印件翹曲程度改善明顯。

圖4 2.2節(jié)設(shè)備改進前后打印件誤差對比柱狀圖

3 FDM 3D打印設(shè)備的控制部分優(yōu)化設(shè)計及精度分析

上述FDM 3D打印設(shè)備其控制部分選用開源的控制主板，、、方向均采用單個步進電機驅(qū)動控制，程序較為簡單。該主板能夠?qū)崿F(xiàn)打印操作全過程，但運行過程穩(wěn)定性較差，易出現(xiàn)故障。電流脈沖信號識別精準度低，步進電機丟步頻繁，嚴重影響了打印精度[12]。核心控制芯片運行和處理算法速度慢，影響了機器操作指令下達速度，從而降低了機器工作效率。

經(jīng)改進，新設(shè)備、、方向單電機驅(qū)動的控制程序設(shè)計更加精細，優(yōu)化性更好。控制板選用MPC4730 V3.0型，其核心控制芯片型號為STM32F407 VET6[13]。該控制板有如下優(yōu)點：

（1）同時設(shè)置了SD卡槽和USB接口，打破了外接設(shè)備的局限性；

（2）該控制板對驅(qū)動器進行細分，提高電機運轉(zhuǎn)時對每一個電流脈沖的分辨率，以減弱或消除步進電機的低頻振動，提高設(shè)備打印精度與平穩(wěn)性[14]；

（3）32位的核心控制芯片計算能力強，運行速度快，發(fā)熱現(xiàn)象不明顯；

（4）在算法中對電機軸運動的加速度、速度策略進行了優(yōu)化[15]。

對2.3節(jié)的FDM 3D打印設(shè)備于改進前后分別進行打印實驗，設(shè)定目標打印件為＝40.00 mm、＝5.00 mm的圓柱，記錄兩臺設(shè)備打印出的六個打印件的相關(guān)尺寸，并進行對比分析，如表4所示。

圖5 2.3節(jié)設(shè)備改進前后打印件誤差對比柱狀圖

由表4和圖5可知：安裝新控制板的FDM 3D打印設(shè)備打印出的零件尺寸較接近打印目標件尺寸，絕對誤差穩(wěn)定，且誤差值更小，顯著提高了打印精度。

所有優(yōu)化設(shè)計工作完成后的FDM 3D打印設(shè)備實物如圖6所示。

4 結(jié)論

通過對機箱結(jié)構(gòu)、運動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、打印平臺結(jié)構(gòu)以及控制部分進行優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化后的FDM 3D打印設(shè)備其運動系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)保證了運動的平穩(wěn)性；打印平臺結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提高了打印件的成型率。FDM 3D打印設(shè)備的穩(wěn)定性、工作效率有了明顯提升，打印件誤差波動范圍明顯縮小，誤差值趨于穩(wěn)定，設(shè)備打印精度有了顯著提高。后續(xù)工作將更深入地研究溫度、運動特性、裝配質(zhì)量以及打印工藝對打印精度的影響，并提出相應的優(yōu)化策略。

圖6 優(yōu)化設(shè)計工作完成后的FDM 3D打印機

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Optimization Design and Precision Analysisof Desktop FDM 3D Printing Equipment

ZHANG Wenjun，F(xiàn)ANG Hui，YUAN Zelin，HUANG Jigang，DONG Xiuli

( College of Manufacturing Science and Engineering,Sichuan University,Chengdu610065,China)

There are many different kinds of desktop FDM 3D printing equipment on market now. Affected by combination of multiple factors, such as the structure stability、the melting temperature and the environmental temperature, the equipments are varied in printing precision. The paper analyzed the related factors which had bad effect on the desktop FDM 3D printing equipment printing precision ,optimized the box structure, motor system mechanical structure, motion control system, collected experimental data which represent un-optimized or optimized desktop FDM 3D printing equipment printing precision. By comparison, the experimental data turn out that the optimized desktop FDM 3D printing equipment make great progress in printing precision. And the optimization design is of practical significance to promoting the printing precision of desktop FDM 3D printing equipment.

desktop FDM 3D printing equipment；improvement of mechanical structure；motion control；resonance；precision

TP334.8

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.01.002

1006－0316 (2018) 01－0005－06

2017－05－22

國家自然科學基金（51175356）；四川大學新世紀高等教育教學改革工程研究項目（SCUY7067）

張文君（1990－），女，湖北襄陽人，碩士研究生，主要研究方向為FDM 3D打印機優(yōu)化設(shè)計及FDM 3D打印耗材加工設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計。

通訊作者：方輝（1973－），湖南岳陽人，博士，副教授，主要研究方向為3D打印設(shè)備開發(fā)及數(shù)控機床熱誤差分析與補償、精密加工技術(shù)及裝備等。