基于Marlin固件的膏狀體3D打印研究*

伍文進(jìn)，徐中云

(徐州工程學(xué)院，江蘇省大型工程設(shè)備裝備檢測(cè)與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221008)

0 引 言

3D打印技術(shù)又稱三維快速成型技術(shù)，其最突出的優(yōu)點(diǎn)是無需機(jī)械加工或模具，就能直接由計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)生成任何形狀的物體，從而極大地縮短產(chǎn)品的研制周期，提高生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。該技術(shù)是依據(jù)三維CAD設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，采用離散材料(液體、粉末、絲、片、板、塊等)逐層累加原理制造實(shí)體部件的技術(shù)。相對(duì)于傳統(tǒng)的材料去除(如切削等)技術(shù)，增材制造是一種自下而上材料累加的制造工藝[1-3]。

熔融沉積制造(FDM)是現(xiàn)今使用最廣泛的一種快速成型技術(shù)，熔融沉積制造設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低、易于操作，特別適用于科研、教學(xué)等用途。該技術(shù)有以下優(yōu)點(diǎn)：①在生產(chǎn)過程中按需噴出，不會(huì)產(chǎn)生材料浪費(fèi)；②加熱溫度較低，不會(huì)產(chǎn)生毒氣、化學(xué)物質(zhì)和粉塵；③一個(gè)產(chǎn)品中可運(yùn)用多種打印材料，如傳統(tǒng)的聚合物：聚碳酸酯，聚苯乙烯，ABS等，還包括金屬，陶瓷和生物相容性材料；④熔融成形部件強(qiáng)度好，可作為功能部件使用；⑤無需激光器等貴重元器件，系統(tǒng)成本低。缺點(diǎn)是成型精度低，成型速率較慢，不適合大型部件的構(gòu)建[4-6]，尤其是耗材必須是絲狀耗材，對(duì)膏狀體材料無能為力。為了能實(shí)現(xiàn)膏狀體打印，文章通過計(jì)算擠出電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一周所用兩種耗材的體積比，修改開源固件Marlin相關(guān)數(shù)值，定制切片軟件Repetier host相關(guān)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了FDM技術(shù)下膏狀體打印的功能。

1 FDM技術(shù)原理

如圖1所示，F(xiàn)DM技術(shù)工作的原理是先將材料制成絲狀并纏繞在耗材盤上，通過送絲機(jī)構(gòu)送入噴頭的內(nèi)腔并在噴頭內(nèi)被加熱熔化，噴頭在計(jì)算機(jī)控制下沿部件截面輪廓和填充軌跡運(yùn)動(dòng)，將熔化的材料擠壓到工作臺(tái)上，材料擠岀后迅速固化，形成了工件的截面輪廓，并與周圍材料黏結(jié)，通過層層堆積成形，最終完成部件制造[7]。

圖1 熔融沉積制造工藝過程示意圖

耗材擠出是FDM技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)之一，擠出力過小會(huì)導(dǎo)致“啃料”現(xiàn)象，常用的絲狀耗材送絲機(jī)構(gòu)一般采用齒輪+軸承(見圖2)、齒輪+齒輪(見圖3)兩種方式，其中雙齒輪送料方式更可靠，擠出力強(qiáng)，常用于Prusa I3結(jié)構(gòu)中。

圖2 齒輪+軸承擠出 圖3 齒輪+齒輪

2 利用FDM工藝進(jìn)行膏狀體打印的思路

FDM技術(shù)是通過G代碼程序控制噴嘴在XYZ構(gòu)建的三維坐標(biāo)系運(yùn)動(dòng)同時(shí)穩(wěn)定的下送絲狀耗材[8]。根據(jù)絲狀耗材的直徑可計(jì)算出周長(zhǎng)，并由送料長(zhǎng)度可計(jì)算出擠出電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一周所用耗材體積，將絲狀耗材更換為膏狀體材料時(shí)，則需準(zhǔn)備一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)體積且有出入口的容器，如針筒，根據(jù)該容器的體積和長(zhǎng)度可計(jì)算出活塞運(yùn)動(dòng)1mm的體積，再由活塞所聯(lián)結(jié)的絲桿導(dǎo)程，可計(jì)算出擠出電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一周所用的膏狀體材料體積，根據(jù)絲狀耗材與膏狀體材料的體積比，進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置，即可實(shí)現(xiàn)膏狀體打印功能。

2.1 模型設(shè)計(jì)與裝配

膏狀體打印擠出裝置的裝配圖如圖4所示。其中步進(jìn)電機(jī)為保證良好的扭矩，可選擇減速電機(jī)。

圖4 針筒裝配模型

針筒裝配模型需要安裝在具有X、Y、Z三軸運(yùn)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)中，才能實(shí)現(xiàn)打印功能，我們采用結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的龍門式3D打印結(jié)構(gòu)，最終裝配的機(jī)械模型如圖5所示。步進(jìn)電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)推桿向下運(yùn)動(dòng)，針筒容量大約為60 mL用于盛放需要打印的膏狀體材料。打印開始時(shí)在步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，絲桿與絲桿螺母運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)推桿向下運(yùn)動(dòng)使針筒產(chǎn)生較大的壓力，迫使膏狀體從噴嘴流出，并通過打印平臺(tái)的加熱裝置實(shí)現(xiàn)固化。

圖5 Prua i3結(jié)構(gòu)膏狀體打印的裝配模型

2.2 計(jì)算方法與過程

計(jì)算方法：以絲狀耗材擠出為基礎(chǔ)，與膏狀體打印體積進(jìn)行對(duì)比，求得電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一周的耗材體積量的比例，從而在軟件參數(shù)中設(shè)置正確的流速比。

2.2.1 單位脈沖計(jì)算

耗材按設(shè)定的速度擠壓下推，此參數(shù)計(jì)算很關(guān)鍵，如未能計(jì)算正確的情況下，會(huì)出現(xiàn)推料速度過快或過慢，過快會(huì)導(dǎo)致噴嘴堵料，而過慢則會(huì)造成滴料現(xiàn)象。如圖6所示，設(shè)擠出齒輪直徑為10 mm，絲狀耗材直徑為1.75 mm，則周長(zhǎng)C應(yīng)為：

圖6 絲狀耗材擠出結(jié)構(gòu)示意圖

C=πd=3.14×10=31.4 mm

假設(shè)步進(jìn)電機(jī)步距角為 1.8°，細(xì)分?jǐn)?shù)為1/16，則旋轉(zhuǎn)一周需要的脈沖信號(hào)數(shù)量應(yīng)為：

則每送料1 mm，就對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)應(yīng)為：

2.2.2 流速比計(jì)算

(1)齒輪擠壓推料體積計(jì)算

以齒輪直徑10 mm為例，其每周擠出體積量計(jì)算如下：

絲狀耗材直徑為1.75 mm，齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)一圈的周長(zhǎng)為：

C=πd=3.14×10=31.4 mm

耗材截面積為：

因擠出齒輪與擠出電機(jī)為1：1同步運(yùn)動(dòng)，因此擠出齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)一周，所耗耗材體積量為：

V齒輪=S×C=31.4×2.404=75.485 6 mm3/r

(2)活塞擠壓推料體積計(jì)算

如圖7所示為60 mL針筒模型，長(zhǎng)度為90 mm，與之聯(lián)接的四頭T型絲桿螺距為2 mm，導(dǎo)程為8 mm，則電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)一周，針筒活塞上升或下降2 mm。

圖7 針筒模型

活塞移動(dòng)1 mm對(duì)應(yīng)的膏狀體耗材擠出體積為：

則活塞移動(dòng)2 mm對(duì)應(yīng)的膏狀體耗材體積為：

V針筒=2×0.666 7=1.333 3 mL/r

由于1 mL=1 000 mm3，因此V針筒=1 000×1.333 3 mL=1 333.3 mm3。

電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)一周，齒輪擠出送料體積與活塞擠壓送料體積比計(jì)算如下：

2.3 固件設(shè)置與切片軟件設(shè)置

2.3.1 MARLIN固件設(shè)置

通過Arduino軟件打開開源Marlin固件marlin.ino文件后，進(jìn)入configration.h選項(xiàng)卡，如圖8所示。

圖8 Arduino界面

(1)MARLIN固件中configration.h選項(xiàng)卡中查找到耗材直徑設(shè)置項(xiàng)，確認(rèn)耗材設(shè)置為1.75 mm。

#define DEFAULT_NOMINAL_FILAMENT_DIA 1.75//耗材直徑設(shè)置項(xiàng)

(2)查找擠出最小溫度設(shè)置項(xiàng)，考慮到冬天氣溫低，可適當(dāng)設(shè)置低一些，如設(shè)置為-15。

#define PREVENT_COLD_EXTRUSION

#define EXTRUDE_MINTEMP-15//擠出最小溫度設(shè)置項(xiàng)

(3)查找到定義軸運(yùn)動(dòng)單位項(xiàng)：#define DEFAULT_AXIS_STEPS_PER_UNIT {X，Y，Z，E}，該設(shè)置項(xiàng)分別為X、Y、Z進(jìn)給軸與擠出齒輪運(yùn)動(dòng)值，其單位為脈沖/mm，將此時(shí)的E值修改為102。

#define DEFAULT_AXIS_STEPS_PER_UNIT{ 80, 80, 400, 102 } //定義軸運(yùn)動(dòng)單位項(xiàng)

2.3.2 Repetier-Host切片設(shè)置

(1)“材料”選項(xiàng)按如圖9所示進(jìn)行設(shè)置

圖9 材料設(shè)定

①材料直徑設(shè)置為1.75 mm；②流速設(shè)置為56.6%；③打印溫度因?yàn)楦酄铙w無需加溫，此時(shí)設(shè)置為0 ℃;④根據(jù)膏狀體的固化特性，可將熱床溫度設(shè)置為0～120 ℃。

(2)“擠出頭”選項(xiàng)按如圖10所示進(jìn)行設(shè)置

圖10 擠出頭設(shè)置

①名稱：膏狀體;②直徑(擠出頭出口直徑)：3.5 mm。

(3)“G-代碼”選項(xiàng)中的“開始G代碼”與“結(jié)束G代碼”按圖11、圖12進(jìn)行設(shè)置。

圖11 開始G代碼 圖12 結(jié)束G代碼

2.3.3 修改G代碼

G代碼是數(shù)控程序中的指令，通常稱為G指令。在減材制造中，數(shù)控程序可以替代人工控制機(jī)床運(yùn)動(dòng)，完成切削加工。在增材制造中，數(shù)控程序則是用來控制打印機(jī)運(yùn)動(dòng)完成對(duì)零部件的打印，其中最為常見的指令就是G代碼。切片軟件的功能就是將需要打印的模型層層切分、規(guī)劃打印路徑、生成G代碼[9]。G0表示噴頭按照點(diǎn)位控制方式快速移動(dòng)到指定終點(diǎn)位置；G1表示噴頭按照直線插補(bǔ)的方式移動(dòng)到指定位置；F表示移動(dòng)速度，單位為mm/min；X，Y，Z為終點(diǎn)坐標(biāo)位置，E代表了推桿向下移動(dòng)的距離，單位均為mm。

在3D打印過程中經(jīng)常會(huì)遇到打印路徑需要跨越剛剛打印零件表面的狀況，此時(shí)噴嘴需向上提高一個(gè)層高，當(dāng)跨越完成再下降一個(gè)層高繼續(xù)打印。這樣既可以避免噴嘴劃傷剛剛打印好的零件表面，同時(shí)避免噴頭跨越零件表面時(shí)出現(xiàn)堵頭的現(xiàn)象[10]。為解決該問題，通?？梢圆捎脙煞N方法來實(shí)施，一是修改切片軟件產(chǎn)生的G代碼，按“先抬高，后移動(dòng)，再下降”的方法進(jìn)行修改。圖13是對(duì)G代碼修改前后的對(duì)比，橫線是插入的位置，框中為添加的代碼內(nèi)容。二是通過設(shè)置“允許回抽”功能，并設(shè)置“Z跳動(dòng)”距離(見圖14)。

圖13 修改G代碼

圖14 “Z跳動(dòng)”設(shè)置界面

2.4 驗(yàn) 證

打印前，首先將膏狀體材料加滿料倉，安裝推桿，通過打印機(jī)控制設(shè)備向步進(jìn)電機(jī)發(fā)送指令驅(qū)動(dòng)推桿向下運(yùn)動(dòng)進(jìn)入針筒，使針筒中有少量膏狀體溢出，這樣能夠防止在加料過程中過多空氣進(jìn)入針筒而影響打印精度。其次，利用SolidWorks繪制一個(gè)底部圓直徑為25 mm，高50 mm，壁厚4 mm，錐度5°的模型(見圖15)，另存為.stl格式并將該模型導(dǎo)入到切片軟件Repetier-Host中，在切片軟件中將導(dǎo)入的模型旋轉(zhuǎn)到最適合的打印角度，設(shè)置噴頭直徑3.5 mm，層高1.75 mm，打印速度15.0 mm/s，采用螺旋切片工藝，切片效果如圖16所示。

圖15 模型 圖16 切片界面

這里因?yàn)槭锹菪B續(xù)打印工藝，不存在跨區(qū)域，因此無需對(duì)切片后的G代碼作修改。開啟熱床加熱功能，將加熱溫度控制在80 ℃以加速陶土固化速度，最后啟動(dòng)3D打印機(jī)完成打印試驗(yàn)。

圖17為膏狀體擠出裝置打印的陶土零件結(jié)果。

圖17 膏狀體打印驗(yàn)證結(jié)果

在整個(gè)打印過程中未出現(xiàn)出料不順、滴落現(xiàn)象，但從圖中可以看出陶瓷零件的側(cè)壁面有微小坑點(diǎn)，這是由于針筒內(nèi)的陶土之間空氣泡所致。從整體看，陶瓷零件稍稍傾斜，這是因?yàn)閲娮熘睆捷^大，單位時(shí)間擠出料較多，下一層擠出料對(duì)上一層擠出料產(chǎn)生較大壓力導(dǎo)致，若采用在針筒噴嘴處設(shè)置螺紋直徑如0.4～0.6 mm的噴嘴，效果會(huì)好些，尤其在打印層數(shù)較高零件時(shí)，采用小直徑的噴嘴效果會(huì)更好。

3 結(jié) 語

FDM技術(shù)3D打印機(jī)在開源硬件上、軟件上日趨成熟。借助于Marlin固件可以更加充分挖掘該開源固件加工的潛能，由于切片軟件中的加工仿真模擬更趨于真實(shí)的打印，所以可提前預(yù)覽每層打印的情況，大大節(jié)約了產(chǎn)品研制的成本。在研究計(jì)算出絲狀耗材擠出與膏狀體耗材在針筒中的擠出體積比的基礎(chǔ)上，對(duì)Marlin固件中相應(yīng)程序進(jìn)行修改，并在切片軟件中設(shè)置合理的切片參數(shù)，為連續(xù)自動(dòng)打印打下基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)證明該設(shè)備簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，在食品打印、點(diǎn)膠、藥量精準(zhǔn)注射等行業(yè)，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益與使用價(jià)值。