3D打印裝備設(shè)計(jì)

李雪鋒，曹東級(jí)，高善平

（泉州信息工程學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院，福建泉州 362000）

0 引言

3D 打印技術(shù)在國內(nèi)外備受廣泛關(guān)注與重視，該技術(shù)是快速成型的一種技術(shù)，又稱為增材制造，主要依托三維建模技術(shù)，機(jī)電控制技技術(shù)、信息技術(shù)、材料科學(xué)與化學(xué)技術(shù)等多學(xué)科的前沿技術(shù)，被認(rèn)為是第三次工業(yè)革命最具標(biāo)志性的生產(chǎn)工具[1]。由于3D 打印技術(shù)在制造過程無需事先制造模具，而且也沒有必要通過復(fù)雜的鍛造工藝就可得到最終產(chǎn)品，其在復(fù)雜構(gòu)件、新產(chǎn)品開發(fā)，比傳統(tǒng)加工方式具有更多優(yōu)勢，因此適用于開發(fā)、設(shè)計(jì)與制造形狀復(fù)雜的零件[2]。

1 3D 打印種類及工藝

1.1 3D 打印工藝種類

光固化立體成型、分層實(shí)體制造、選擇性激光燒結(jié)成型、熔融沉積成型、三維打印技術(shù)是目前3D 打印技術(shù)比較成熟的五種工藝[3]。FDM（Fused Deposition Modelling，熔融沉積成型）工藝因其成本低、成型簡單，具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，課題圍繞FDM工藝為出發(fā)點(diǎn)展開研究。

1.2 FDM 快速成型工藝特點(diǎn)

低熔點(diǎn)材料是FDM 工藝的加工材料，一般加工過程通過供料輥將絲狀材料送到噴頭的內(nèi)腔加熱。不同的材料其加熱熔融溫度有所不同，本課題選擇ABS（Acrylonitrile Butadiene Styrene，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物）或者PLA（Polylactic Acid，生物降解塑料聚乳酸）打印材料展開研究設(shè)計(jì)，其加熱熔融溫度為240 ℃。

1.3 FDM 快速成型工藝存在問題

目前市場上引進(jìn)的3D 打印設(shè)備價(jià)格昂貴，設(shè)備維護(hù)成本較高，難以被廣泛使用；而且國內(nèi)3D 打印設(shè)備加工成型速度慢、不適合構(gòu)建大型零件、成型過程中噴頭較易堵塞、成型后產(chǎn)品強(qiáng)度不夠，不利于裝配。此外，國內(nèi)基于FDM 技術(shù)的3D打印裝備還基本停留在桌面級(jí)的生產(chǎn)層面上，大尺寸、高精度、高效率的FDM 工業(yè)級(jí)3D 打印裝備尚未較好地融入到工業(yè)生產(chǎn)中。

針對(duì)以上問題，課題主要致力于工業(yè)級(jí)別大成型尺寸3D打印機(jī)的研究及開發(fā)，主要面向工業(yè)領(lǐng)域，應(yīng)用于大型零件、產(chǎn)品模型、藝術(shù)品的制作。

2 基于FDM 工藝的技術(shù)原理

打印材料、打印裝備設(shè)計(jì)及信息技術(shù)是影響3D 打印技術(shù)發(fā)展三大主要因素。由于3D 打印成型容易產(chǎn)生強(qiáng)度不夠、表面質(zhì)量差、翹曲竄動(dòng)及扭曲錯(cuò)位等缺陷，一直制約和影響3D打印技術(shù)的發(fā)展，而3D 打印設(shè)備的研發(fā)與設(shè)計(jì)是3D 打印技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)，它對(duì)3D 打印成品的質(zhì)量與精度有著很大影響作用。課題圍繞FDM 快速成型能滿足工業(yè)生產(chǎn)性能要求的技術(shù)特性，如抗拉、抗彎、延展性及精度等，設(shè)計(jì)大尺寸、長時(shí)間、高精度、低成本的3D 打印裝備，為工業(yè)化3D 打印機(jī)的進(jìn)一步研制提供參考。

3 3D 打印裝備設(shè)計(jì)

課題3D 打印裝備主要包括熱熔噴頭、擠出機(jī)構(gòu)、熱床、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、直線導(dǎo)軌及支架，如圖1 所示。

圖1 3D 打印裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整機(jī)采用工字型結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有較好的穩(wěn)定性，能夠解決目前國內(nèi)大多桌面型3D 打印機(jī)無法超長時(shí)間工作的缺陷。采用限位開關(guān)控制運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的行程范圍，其打印行程為750 mm×750 mm×800 mm。3D 打印機(jī)采用步進(jìn)電機(jī)加絲杠的傳動(dòng)方式，可以大大提高3D 打印機(jī)的工作狀態(tài)。3D 打印機(jī)整個(gè)工作過程：首先將熱床加熱到70 ℃，將熱熔噴頭溫度加熱至240 ℃或210 ℃，在該溫度下能夠使ABS 或PLA 材料熔融時(shí)具有一定的流動(dòng)性與較好的打印精度，隨后擠出機(jī)構(gòu)按照設(shè)定的成型速度擠壓送絲，同時(shí)傳動(dòng)組按照程序設(shè)定的路徑進(jìn)行X、Y 軸二維掃描。當(dāng)掃描完一層后，向Z 軸方向上移一層，隨后熱熔噴頭再進(jìn)行下一層的運(yùn)動(dòng)，新固化的一層會(huì)牢固地粘在前一層上，如此重復(fù)直到整個(gè)零件制造完畢，得到一個(gè)三維實(shí)體模型，整個(gè)打印過程熱熔噴頭和熱床溫度保持恒定。

3.1 熱熔噴頭

制約FDM 成型技術(shù)的關(guān)鍵因素是熱熔噴頭的設(shè)計(jì)，熱熔噴頭的技術(shù)關(guān)鍵是噴嘴口徑的設(shè)計(jì)，其任務(wù)是控制加熱過程與內(nèi)部溫度，如果噴頭的加熱溫度偏高會(huì)出現(xiàn)材料過熱，產(chǎn)生延流及碳化現(xiàn)象；如果其加熱溫度偏低，則無法完全熱熔材料，而影響打印效果。

熱熔噴頭采用錐型螺桿噴頭，包括送料機(jī)構(gòu)、加熱管、噴嘴與風(fēng)扇4 個(gè)部分，其中加熱管做成薄壁，目的是方便散熱，通過控制風(fēng)扇的風(fēng)量與加熱管的溫度，保持噴頭溫度恒定。錐型螺桿噴頭不僅結(jié)構(gòu)簡單、控制方便，而且該類型的噴頭能夠提高擠出材料的速度與流量的均勻性，提高快速制件的尺寸精度。

常見的3D 打印裝備噴嘴直徑有0.15 mm、0.25 mm、0.4 mm、0.6 mm 等規(guī)格，課題針對(duì)ABS 或PLA 兩種材料，做了測試，假如將噴嘴口徑設(shè)置為0.6 mm，雖然送絲速度較快，但是影響其成型性能；將噴嘴直徑設(shè)置為0.15 mm、0.25 mm，雖能提高其成型性能，但是送絲速度太慢，影響其打印效率，課題組綜合打印速度、打印精度及表面成型質(zhì)量將打印機(jī)噴嘴口徑設(shè)置為0.4 mm。

3.2 擠出機(jī)構(gòu)

課題設(shè)計(jì)的工業(yè)級(jí)大成型尺寸3D 打印機(jī)，采用近程擠出，將擠出結(jié)構(gòu)安裝在噴頭后面。近程擠出對(duì)送料量的控制比遠(yuǎn)程擠出更準(zhǔn)確，而且對(duì)擠出步進(jìn)電機(jī)的力矩要求相對(duì)低些。FDM技術(shù)的擠出機(jī)構(gòu)主要任務(wù)是在成型過程中，通過步進(jìn)電機(jī)直接帶動(dòng)滾齒使熔融的材料能夠不斷從噴嘴擠出，保證原始狀態(tài)的材料能夠勻速、可靠地進(jìn)入噴頭。擠絲驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)采用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)滾齒對(duì)材料驅(qū)動(dòng)，材料被驅(qū)動(dòng)進(jìn)入噴頭時(shí)對(duì)受熱熔融材料產(chǎn)生一定壓強(qiáng)，讓熔融絲材以穩(wěn)定的速度擠出。

3.3 熱床

熱床溫度是零件成型時(shí)，從噴頭擠出絲材時(shí)所處的工作室溫度。它是成型零件的熱應(yīng)力大小和表面精度質(zhì)量高低的重要影響因素，而噴頭溫度和熱床溫度是相互影響的，必須控制在一定的合理范圍內(nèi)。課題針對(duì)ABS 和PLA 兩種材料的特點(diǎn)，將熱床溫度設(shè)置為70 ℃，噴頭最高加熱溫度為240 ℃。

3.4 設(shè)備運(yùn)動(dòng)控制

FDM 設(shè)備運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)包括噴頭的X、Y軸運(yùn)動(dòng)控制和工作臺(tái)Z 軸運(yùn)動(dòng)控制兩個(gè)部件的運(yùn)動(dòng)控制。其中，X、Y 軸帶動(dòng)噴頭在二維平面上掃描出路徑，Z 軸實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)從二維到三維的轉(zhuǎn)變。課題3D 驅(qū)動(dòng)固件采用MKS 控制主板，通過主板控制器來實(shí)施位置控制、速度控制以及熱床、噴頭溫度的控制等任務(wù)。其接口連接如下：直插式驅(qū)動(dòng)接A49988 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，E0 電機(jī)接送料擠出電機(jī)，擠出頭熱敏用于連接擠出頭溫度傳感器，加熱棒接噴頭加熱管。

3.5 人機(jī)交互

目前，國內(nèi)外3D 打印裝備較少設(shè)有人機(jī)交互、智能識(shí)別與反饋，雖然設(shè)備中的各子任務(wù)能夠做到閉環(huán)控制，但是大多數(shù)3D 打印裝備的整體控制系統(tǒng)尚未做好較好的閉環(huán)控制，目前每一種模型的成型不得不依靠人工總結(jié)數(shù)據(jù)并進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)來實(shí)現(xiàn)。假如成型過程中出現(xiàn)打印異常或比較小的打印錯(cuò)誤時(shí)，由于設(shè)備的整個(gè)控制系統(tǒng)尚未實(shí)現(xiàn)智能識(shí)別，不能及時(shí)調(diào)整并解決問題，其后續(xù)打印成型過程誤差越來越大，因此在打印成型過程中，必須有經(jīng)驗(yàn)豐富的專業(yè)人員隨時(shí)觀察成型狀態(tài)。另外，目前大部分的3D 打印機(jī)還沒有掉電記憶功能，當(dāng)打印時(shí)突然斷電將無法進(jìn)行續(xù)打，這樣會(huì)造成大量時(shí)間、材料上的浪費(fèi)。課題通過主板控制器上安裝電源監(jiān)控模塊，利用TFT 上連接的觸摸屏可以邊打印邊讀打印過程信息，若是突然斷電，觸摸屏只讀到斷電那刻內(nèi)容，當(dāng)重新上電時(shí)，可繼續(xù)往前打印，實(shí)現(xiàn)停電記憶功能。

針對(duì)以上問題，課題設(shè)計(jì)基于人機(jī)交互的控制系統(tǒng)，包括3D 打印機(jī)、視頻監(jiān)控、無線網(wǎng)絡(luò)、RS485 通信、總控制器、觸摸屏及LCD 顯示屏等用戶終端。3D 打印機(jī)、視頻監(jiān)控設(shè)備的攝像頭和無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備利用RS485 與總控制器連接，總控制器借用網(wǎng)絡(luò)連接與用戶設(shè)備建立連接，與用戶的手機(jī)建立聯(lián)系，用戶通過手機(jī)實(shí)時(shí)查收監(jiān)控視頻和數(shù)據(jù)，并對(duì)總控制器下達(dá)命令，從而實(shí)現(xiàn)整機(jī)的閉環(huán)控制。

4 結(jié)束語

課題設(shè)計(jì)的3D 打印裝備能夠?qū)崿F(xiàn)超長時(shí)間穩(wěn)定工作和實(shí)時(shí)監(jiān)控打印，由于采用步進(jìn)電機(jī)傳送機(jī)構(gòu)，使整機(jī)成本大大降低，采用實(shí)時(shí)監(jiān)控3D 打印過程，大大提高成型速度、表面成型質(zhì)量及成型精度。通過人機(jī)界面交互，操作簡單，用戶無需培訓(xùn)即可使用。

3D 打印控制系統(tǒng)中被控量與控制量之間是相互關(guān)聯(lián)的，其工作過程只要有一個(gè)控制量的變化就會(huì)同時(shí)引起幾個(gè)被控量變化。這種變化相互影響，稱為耦合。其耦合的存在會(huì)使整個(gè)過程控制系統(tǒng)變得更復(fù)雜化。如FDM 成型技術(shù)過程參數(shù)有溫度、壓力、送絲速度等，這些參數(shù)都是相互關(guān)聯(lián)，相互影響。目前本臺(tái)機(jī)子尚未實(shí)現(xiàn)這方面的解耦控制。