3D打印機(jī)的設(shè)計(jì)與制作

【摘 要】本課題旨在研究提供了一種 3D 打印機(jī)實(shí)現(xiàn)方案，從機(jī)械設(shè)計(jì)、固件選型、軟件開發(fā)等方面進(jìn)行闡述，降低設(shè)計(jì)成本，提高研發(fā)速度，具有較高的精度和速度。主要解決上位機(jī)與處理器一起控制打印噴頭完成全方位3D打印問(wèn)題，以鋁型材框架為主體，以上位機(jī)控制兩根牙條、同步帶、打印噴頭和鋼化玻璃板熱床臺(tái)面移動(dòng)以完成精確的打印。上位機(jī)分別控制三個(gè)方向的移動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)散熱風(fēng)扇能有效防止堵頭問(wèn)題，外部的散熱風(fēng)扇能有效防止翹邊問(wèn)題。本課題的關(guān)鍵在于提高打印機(jī)速率和精確度，適用于小批量實(shí)物打印，在校學(xué)生可以通過(guò)對(duì)3D模型設(shè)計(jì)、制作切片、打印模型的操作，提高動(dòng)手實(shí)踐能力和工程加工意識(shí)。

【關(guān)鍵詞】3D打印；Arduino；mega 2560；電機(jī)控制；溫度控制；嵌入式開發(fā)

一、研究背景與現(xiàn)狀

3D打印技術(shù)在歐美國(guó)家長(zhǎng)達(dá)十多年的不斷探索之下，已經(jīng)發(fā)展的較為成熟，其多達(dá)二十四位色彩的彩色打印和高達(dá)25mm/h的垂直打印速率已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)，在打印的精細(xì)程度方面，目前國(guó)際上較為先進(jìn)的3D打印機(jī)可以保證在0.01mm的單層厚度上實(shí)現(xiàn)600dpi的分辨率[1]。

2015年2月，工信部、國(guó)家發(fā)改委及財(cái)政部聯(lián)合發(fā)布了《國(guó)家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)計(jì)劃（2015-2016年）》。這是首部以國(guó)家部委名義發(fā)布的增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展計(jì)劃，進(jìn)一步明確了產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向，將會(huì)引爆中國(guó)的3D打印市場(chǎng)。3D打印技術(shù)作為智能制造的分支，有助于提離經(jīng)營(yíng)效率和減少材料消耗。隨著"中國(guó)制造2025"的發(fā)布，3D打印必將成為我國(guó)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)的核也技術(shù)之一[2]。

二、3D打印機(jī)原理

1.理論原理

3D打印技術(shù)是一種逐層制造技術(shù)，它采用離散/堆積成型原理，其過(guò)程是：先得到所需零件的計(jì)算機(jī)三維曲面或?qū)嶓w模型；然后根據(jù)工藝要求，將其按一定厚度進(jìn)行分層，將原來(lái)的三維模型變成二維平面信息，即離散過(guò)程；再將分層后的數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的處理，加入加工參數(shù)，產(chǎn)生數(shù)控代碼；在微機(jī)控制下，數(shù)控系統(tǒng)以平面加工方式，有序地連續(xù)加工出每個(gè)薄層，并使它們自動(dòng)粘接而成型，從而制造出所需產(chǎn)品的實(shí)物樣件或成品，這就是材料的堆積過(guò)程[3]。其制造過(guò)程如圖1所示：

該3d打印機(jī)的空間架構(gòu)由一個(gè)橫著的矩形和一個(gè)樹立的矩形組成，以此建一個(gè)3d打印控件[4]。以x軸為長(zhǎng)，以y軸為寬，以z軸為高來(lái)進(jìn)行計(jì)算，三個(gè)步進(jìn)電機(jī)分別控制x/y/z軸，這樣便可以打出一個(gè)平面，通過(guò)CAD圖，將一個(gè)3D圖看做一層層平面，則上面兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制z軸，這樣每打完一層上面控制z軸的兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)便向上挪一層，如此反復(fù)便可以打出一個(gè)完整的3d圖形，具體的實(shí)物圖如圖2所示。

三、主板與模塊設(shè)計(jì)

1.核心主板

Arduino Mega2560 也是采用 USB 接口的核心電路板，它最大的特點(diǎn)就是具有多達(dá) 54 路數(shù)字輸入輸出，特別適合需要大量 IO 接口的設(shè)計(jì)。Mega2560 的處理器核心是 ATmega2560，同時(shí)具有 54 路數(shù)字輸入 / 輸出口，16 路模擬輸入，4 路UART 接口，一個(gè) 16MHz 晶體振蕩器，一個(gè) USB 口，一個(gè)電源插座，一個(gè) ICSP header 和一個(gè)復(fù)位按鈕。Arduino Mega2560 也能兼容為 Arduino UNO 設(shè)計(jì)的擴(kuò)展板。工作電壓 5V，直流電流 50m A，F(xiàn)lash Memory 256 KB。實(shí)物圖如圖3所示。

2.步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)

獨(dú)立雙向控制控制一個(gè)步進(jìn)電機(jī)，它具有很高的集成度，并且能提供足夠的輸出能力，如圖 4 所示。A4988 是一款帶轉(zhuǎn)換器和過(guò)流保護(hù)的 DMOS 微步驅(qū)動(dòng)器，該產(chǎn)品可在全、半、1/4、1/8 及 1/16 步進(jìn)模式時(shí)操作雙極步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，輸出驅(qū)動(dòng)性能可達(dá) 35 V 及 ±2，A4988 包括一個(gè)固定關(guān)斷時(shí)間電流穩(wěn)壓器，該穩(wěn)壓器可在慢或混合衰減模式下工作。轉(zhuǎn)換器可驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生微步[5]。無(wú)須進(jìn)行相位順序表、高頻率控制行或復(fù)雜的界面編程。A4988實(shí)物圖、原理圖如圖4、圖5所示。

3.步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制電機(jī)，是現(xiàn)代數(shù)字程序控制系統(tǒng)中的主要執(zhí)行元件，應(yīng)用極為廣泛。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，稱為“步距角”[7]，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的[6]。步進(jìn)電機(jī)實(shí)物如圖6、圖7。

4.打印噴頭

3D打印噴頭主要由噴頭罩、噴嘴和相應(yīng)的靜音耐磨自潤(rùn)滑軸套、進(jìn)絲調(diào)節(jié)裝置、噴頭冷卻風(fēng)扇等幾部分組成，采用 12V 供電 40W 的加熱頭，具有加熱快，溫度控制精確的特點(diǎn)。打印耗材通過(guò)加熱頭將其融化進(jìn)行層層的精密打印。

四、課題成果

本文詳細(xì)介紹了基于并聯(lián)結(jié)構(gòu)的 FDM 型 3D 打印機(jī)的設(shè)計(jì)思路和工作流程，盡管國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中對(duì)于 3D的部分代碼開源，但是要么著力于講解拼裝過(guò)程或者軟件介紹，缺乏對(duì) 3D 打印實(shí)現(xiàn)的完整探討。該實(shí)現(xiàn)方式采用上位機(jī)控制方式，具有建模靈活，切片方便、運(yùn)動(dòng)精巧的特點(diǎn)，穩(wěn)定高效、易于維護(hù)、擴(kuò)展方便，而且該設(shè)計(jì)思路也適宜于 LINUX、WINDOWS 等常見操作系統(tǒng)，支持多種硬件平臺(tái)，內(nèi)存占用率低，具有完備的技術(shù)支持和開源資料。

參考文獻(xiàn)：

[1] 余兆堃.3D 打印時(shí)代工業(yè)設(shè)計(jì)的方法研究綜述[J].文藝生活·文藝?yán)碚摚?014（4）：80.

[2] 王雪瑩.3D 打印技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展及前景分析[J].中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2012（9）：3-5.

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[4] 劉紅光，楊倩，劉桂鋒，劉瓊.國(guó)內(nèi)外 3D 打印快速成型技術(shù)的專利情報(bào)分析[J].情報(bào)雜志，2013（6）：40-46.

[5] 王鑒光.電機(jī)控制系統(tǒng)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，1994.

[6] 陳壁理.步進(jìn)電機(jī)及其應(yīng)用[M].上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1983：29-81.

[7] 鄒麗新，朱桂榮，陸家昌，季晶晶，董健.精密控制系統(tǒng)中步進(jìn)電機(jī)的電細(xì)分技術(shù)研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用 2005，31 卷 05.

作者簡(jiǎn)介：

曲萍，1987年，女，碩士，主要從事電子信息工程、電力電子，軟開關(guān)電源的研究。

（作者單位：山東英才學(xué)院）