科賽爾δ結(jié)構(gòu)3D打印機

張欣， 王時雨， 李曉東， 林強， 周康

（長春工業(yè)大學(xué)工程訓(xùn)練中心，長春 130012）

0 引言

3D打印技術(shù)可用于藝術(shù)品制造、航天航空、工業(yè)生產(chǎn)、快速成型、國防建設(shè)、醫(yī)學(xué)治療、文物保護等各個領(lǐng)域，使研發(fā)者或使用者方便快捷地得到所需三維立體實物模型。與傳統(tǒng)打印機相比較，并聯(lián)臂3D打印機具有穩(wěn)定可靠、精準(zhǔn)度高、成型速度快、維護簡單、節(jié)省材料等優(yōu)點，通過自動控制進行加工，可直接打印出成品，突破空間局限性，適用范圍廣泛等優(yōu)點。針對現(xiàn)有3D打印機各結(jié)構(gòu)的功能不同，將其機械結(jié)構(gòu)進行模塊劃分，并對核心部分進行仿真分析，改善其中的不足，從而設(shè)計出以熔絲沉積成型(FDM)技術(shù)為基礎(chǔ)技術(shù)的新型3D打印機[1]。

1 科賽爾δ3D打印機介紹

科賽爾δ3D打印機是一種三維打印機原型機，即RepRap（replicating rapid prototyper），科賽爾δ3D打印機與軟件部分均需要進行調(diào)平和運動參數(shù)調(diào)整。調(diào)平的方式包括兩種，一種是手動調(diào)平，另一種是自動調(diào)平，自動調(diào)平分為Z探針調(diào)平與FSR調(diào)平等方式；但是對于調(diào)整運動參數(shù)，目前還沒有明確的方法與步驟，調(diào)整運動參數(shù)的過程需耗費大量時間[2]。

2 科賽爾δ3D打印機工作原理分析

2.1 科賽爾δ3D打印機工作原理分析

科賽爾δ成型過程的本質(zhì)是將材料進行加熱，使其成為熔融態(tài),然后通過噴頭擠出，使工件層層粘連最終生成完整的產(chǎn)品。如圖1所示，科賽爾δ3D打印機的工作原理是將固態(tài)打印材料ABS絲材通過送絲機構(gòu)送入加熱腔內(nèi)，ABS絲材在加熱腔內(nèi)加熱，達到熔融狀態(tài)，上方未熔融的固態(tài)絲材通過擠壓機作用，將熔化的絲材推出壓送到噴頭，從而實現(xiàn)工件的逐層堆積。在計算機的控制下，通過并聯(lián)臂帶動擠出機構(gòu)，按照設(shè)計時規(guī)定的路徑，將熔融狀態(tài)的絲材逐層堆積、粘連在上一層成型部分的絲材上，循環(huán)往復(fù)，從而完成三維實體的打印。

圖1 打印機噴頭部分原理圖

2.2 打印頭的三維運動原理

科賽爾δ3D打印機數(shù)學(xué)原理是依據(jù)三維歐幾里得空間。此類3D打印動平臺的特點是：打印頭在每一物理層二維平面(XOY平面)上運動；打印頭的導(dǎo)軌在垂直方向上單向一維直線層級運動(Z軸)。如圖2所示，因各維度上的運動都是直線運動，所以運動函數(shù)可用以下方程[3]描述：

圖2 打印頭三維運動

其中：f為單位距離所需脈沖數(shù)；μ為電動機驅(qū)動細(xì)分；ρ為步進電動機步進角；n為轉(zhuǎn)動比因子。

打印頭移動到直角坐標(biāo)系A(chǔ)點時，有以下幾何關(guān)系：

其中：h1、h2、h3分別為滑塊1、滑塊2、滑塊3離基床的垂直高度；r為圓盤基床半徑，坐標(biāo)原點為基床圓心；L為連桿長度。

打印機的可利用空間有限，無效體積為

空間利用率為

其中：H為機架立軸長度。

3 科賽爾δ結(jié)構(gòu)3D打印機的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

3.1 科賽爾δ3D打印機結(jié)構(gòu)

科賽爾δ3D打印機裝置所包括的結(jié)構(gòu)有：滑車，碳棒，加熱頭，電源及數(shù)據(jù)接口，顯示模塊，導(dǎo)軌滑塊機構(gòu)和繞線輪。如圖3所示，具體結(jié)構(gòu)為水平設(shè)置的中空三棱柱結(jié)構(gòu)；垂直連接在三角形底架與頂架之間的3組豎直導(dǎo)軌（安裝在三角形頂架上的頂蓋與三角形底架上的打印托盤）；分別通過3組連桿對應(yīng)連接能夠移動的3組滑輪機構(gòu)的動平臺，3個滑車分別與3個導(dǎo)軌滑塊機構(gòu)相連；2根碳棒中，一根左右對稱地與滑車鏈接在一起，另一根與加熱頭鏈接在一起；打印材料與加熱頭相連，形成一個完整的打印材料供給機構(gòu)；繞線輪用于纏繞打印材料；打印托盤是通過定位塊固定在三角形底架上；控制板則安裝在打印機的下底面的隔層里，通過電源及數(shù)據(jù)接口與外界電源和數(shù)據(jù)源連接；顯示模塊設(shè)置在打印機三角形底座的外部，通過數(shù)據(jù)線與3D打印機的控制板相連；第一電動機、第二電動機和第三電動機通過皮帶與3個滑塊鏈接在一起，電動機通過皮帶帶動滑塊運動，以達到控制科賽爾δ運動的目的，進而控制3D打印機進行打印工作。

圖3 打印機結(jié)構(gòu)

3.2 科賽爾δ結(jié)構(gòu)分析

科賽爾δ3D打印機，包括滑車、碳棒、加熱頭、電源及數(shù)據(jù)接口、顯示模塊、導(dǎo)軌滑塊機構(gòu)和繞線輪等結(jié)構(gòu)；科賽爾δ是根據(jù)外副驅(qū)動設(shè)計的，使動平臺通過3個平行四邊形的連桿與定平臺相聯(lián)接，3組平行連桿相互之間成120°，均勻分布在動平臺與定平臺之間。每組連桿由一組移動副、轉(zhuǎn)動副和球面副構(gòu)成，組成一個平行四邊形結(jié)構(gòu)(利用平行四邊形易變形的性質(zhì))，在并聯(lián)連桿兩端分別使用球頭扣將動平臺和線性導(dǎo)軌上的滑塊鏈接在一起，通過滑塊跟隨傳送帶的運動來驅(qū)動并聯(lián)臂運動。分別使用第一電動機、第二電動機和第三電動機，3個電動機聯(lián)合控制，使得噴頭在水平方向與垂直方向移動，即噴頭在X、Y、Z方向上的位移量更加精準(zhǔn)，再使用第四電動機控制打印材料ABS絲材的供給[4]。

科賽爾δ3D打印機數(shù)學(xué)原理是依據(jù)三維歐幾里得空間，將二維XOY平面上的直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為3個滑塊的相對高度，是通過主控板將切片后的3D模型文件轉(zhuǎn)化為G代碼和擠出機的步進電動機的正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)速，使噴頭較為精確地將原材料一層一層地噴涂堆積在工作輸出基板上，從而形成最終的實體模型。

3.3 步進電動機

步進電動機（如圖4所示）可將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榫€位移或角位移等數(shù)字量，并且是現(xiàn)代數(shù)字控制系統(tǒng)中起到主要執(zhí)行作用的開環(huán)控制電動機。步進電動機是一種感應(yīng)電動機，通過電子電路將直流電改變?yōu)槎嘞鄷r序控制電流，在多相時序控制電流分時供電的情況下正常工作，驅(qū)動器是多相時序控制器，為步進電動機提供分時供電。當(dāng)控制系統(tǒng)輸出一個脈沖信號時，同時步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)過的機械角度稱為步距角。步進電動機的旋轉(zhuǎn)是按照固定的步距角運動的。為使定位更加準(zhǔn)確，可以通過控制脈沖信號的數(shù)量來控制角位移的變化；在調(diào)整速度時，可以通過調(diào)整脈沖信號發(fā)出的頻率從而控制步進電動機轉(zhuǎn)動的速度與加速度。此文中所述3D打印機所使用的步進電動機的型號為YH42BYGH47-401A[5]。

圖4 步進電動機

圖5 步進電動機主電路

4 科賽爾δ結(jié)構(gòu)3D打印機的電路設(shè)計

4.1 3D打印機的電動機控制電路

步進電動機主電路（如圖5所示）具有驅(qū)動與邏輯控制兩大功能[6]。驅(qū)動電路采用28 V開關(guān)電源，電壓范圍為4.5～40 V，改變電動機端電壓可以改變步進電動機在高轉(zhuǎn)速下輸出的轉(zhuǎn)矩，具體驅(qū)動電壓的選擇要根據(jù)使用時的實際情況來確定。邏輯控制電路使用5 V開關(guān)電源，VDD為邏輯電源引腳，去耦電容和旁路電容的作用是減少噪聲干擾，通過設(shè)置M2、M1外接撥碼開關(guān)不同細(xì)分值，可抑制步進電動機在低頻工作時的振動與噪聲。最大電流計算公式為IOUT=0.5/RNF。

4.2 3D打印機的LCD液晶顯示屏

本文所述3D打印機所使用的LCD液晶顯示屏是TFTLCD液晶顯示屏[7]（SPI14PIN焊接，單片機驅(qū)動，TFT材質(zhì)）。

TFT（Thin Film Transistor）即薄膜場效應(yīng)晶體管，作為有源矩陣液晶顯示器。該屏占用13個引腳（其中顯示功能占用5個I/O口，使用flash或者SD卡時占用另外5個I/O口），可以直接插在LCD1602的位置（使用左對齊方式，LCD1602插槽右邊三個引腳不使用）使用，背光亮度可以調(diào)節(jié)LCD1602上調(diào)節(jié)對比度的電位器。使用5V或3.3V進行供電[8]。模塊上集成了3.3V穩(wěn)壓芯片，供電電壓可以根據(jù)短接點不同供電方式不同的原理進行選擇。液晶顯示屏上所顯示的有噴頭溫度（攝氏度），打印速度（百分比），打印剩余時間，菜單（通過調(diào)節(jié)按鈕，在菜單中選擇“print from SD card”項,選擇要打印的.gcode文件，開始打印）。

4.3 3D打印機噴頭的溫度分析與控制

通常情況下，3D打印機的噴頭使用的是FDM噴頭。在進行3D打印時，供給的耗材會在FDM噴頭內(nèi)隨溫度升高從固態(tài)熔化成為液態(tài)，這體現(xiàn)了3D打印噴頭的熱傳遞過程與階段，在加熱過程中FDM噴頭對溫度的控制也有所要求[9]。對于不同類型的打印噴頭，最佳溫度也不同，對于FDM噴頭，溫度一般控制在220℃左右，在此溫度范圍內(nèi)使用壽命得以延長，也使得從FDM噴頭內(nèi)流出的打印材料較為連貫[10]。

在3D打印實際操作中，PID算法的參數(shù)選擇對溫度控制的穩(wěn)定性和快速性極為重要。PID控制器 (比例-積分-微分控制器)是由比例部分P、積分部分I和微分部分D構(gòu)成，分別通過Kp、Ki和Kd三個參數(shù)設(shè)定[11]（如圖6所示）。

圖6 閉環(huán)控制PID控制器結(jié)構(gòu)圖

5 科賽爾δ3D打印機軟件介紹

5.1 Catia軟件

制造廠商可以通過Catia建立其期望產(chǎn)品的模型，并且Catia軟件支持從項目前階段、具體的設(shè)計、分析、模擬、組裝到維護在內(nèi)的全部工業(yè)設(shè)計流程[12]。

Catia所有的模塊存在著全相關(guān)性，可將三維模型的處理完全體現(xiàn)在二維模型的模擬分析與控制加工中。不僅如此，Catia還擁有先進的混合建模技術(shù)，在Catia的設(shè)計環(huán)境下，不管設(shè)計對象是曲面還是實體，均可以混合建模，做到了真正的相互交叉操作，而且可以提供變量驅(qū)動及后參數(shù)化能力，因此設(shè)計者無需考慮如何將設(shè)計目標(biāo)參數(shù)化。并且Catia擁有自己的知識庫，企業(yè)可以將其多年的設(shè)計經(jīng)驗存儲在Catia的知識庫中，用于對該企業(yè)新成員的培訓(xùn)練習(xí)，或新產(chǎn)品的開發(fā)，從而加快新型產(chǎn)品向市場推進的速度。Catia在產(chǎn)品的整個生產(chǎn)周期中具有便捷的重復(fù)修改功能，甚至可以對原有方案進行更新?lián)Q代[13]。

5.2 Pro/E軟件

Pro/E率先提出參數(shù)化設(shè)計概念，在目前的三維造型軟件領(lǐng)域中占有著重要地位，參數(shù)化是指將幾何模型分解成有限數(shù)量的組成特征，而每個組成特征都是由有限數(shù)量的參數(shù)進行約束的，從而完成參數(shù)化[14]。Pro/E是建立在一個單一的數(shù)據(jù)庫上，該數(shù)據(jù)庫中包括了此項工程中的全部資料，在整個設(shè)計過程中，任何一處發(fā)生改動，整個設(shè)計系統(tǒng)中的相關(guān)環(huán)節(jié)都會隨之進行改動，Pro/E是基于特征的實體模型化系統(tǒng)，通過采用單一數(shù)據(jù)庫，從而解決特征相關(guān)性問題。

6 科賽爾δ3D打印機操作流程

科賽爾δ3D打印機的操作流程是：先使用Catia軟件對所需要打印的產(chǎn)品進行模型建立，然后使用Pro/E軟件對建模后形成的三維模型運用微分原理進行切片，通過切片生成G代碼，并將G代碼存儲在SD卡中，將SD卡放置在機器預(yù)先設(shè)計好的卡槽中，以備隨時調(diào)用文件，打印前選擇SD卡中的相應(yīng)的G代碼文件，并載入到機器內(nèi)存中，然后選擇“開始打印”，操作者觀察打印過程，以備隨時進行調(diào)整，直至打印結(jié)束，產(chǎn)品生成[15]，如圖7所示。

圖7 科賽爾δ3D打印機操作流程

圖8 科賽爾δ3D打印機打印作品展示

7 結(jié)語

3D打印機最大的優(yōu)勢在于材料的節(jié)省，不需因物體形狀特點而剔除邊角料，不再需要傳統(tǒng)的任何工具或模具，可直接根據(jù)設(shè)計出的3D模型文件的數(shù)據(jù)生成任何所需形狀的產(chǎn)品，從而提高材料的利用率；3D打印機可以直接自動地將計算機中的設(shè)計程序轉(zhuǎn)化為模型實物，并且能夠達到高精度和高復(fù)雜程度，甚至可直接打印出所需產(chǎn)品，簡化或省略組裝工序，從而有效地縮短產(chǎn)品研發(fā)與生產(chǎn)的時間，降低了組裝部分產(chǎn)生的成本。

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