三角洲型二進(jìn)一出混色3D打印機(jī)的設(shè)計(jì)

馬瑞濤，代丹丹，陳 輝，吳瑞玉，陳嘉民

(新疆工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830023)

0 引言

工業(yè)制造水平可以體現(xiàn)一個(gè)國(guó)家的綜合實(shí)力，3D打印這種新技術(shù)的出現(xiàn)也推動(dòng)了工業(yè)制造領(lǐng)域的發(fā)展[1]。三角洲型混色3D打印機(jī)的機(jī)械原理和電控設(shè)計(jì)相似于普通Delta 3D打印機(jī)，通過(guò)Arduino mega2560單片機(jī)的計(jì)算得出運(yùn)動(dòng)軌跡從而控制擠出頭機(jī)構(gòu)，但市面上的3D打印機(jī)價(jià)格不夠經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，耗材顏色單一，無(wú)法滿足3D打印技術(shù)使用者新的需求，廉價(jià)親民的3D打印機(jī)的設(shè)計(jì)制造出現(xiàn)瓶頸[2]。

本研究是在現(xiàn)有的單色3D打印機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，以期達(dá)到混色打印的目的。

1 三角洲型二進(jìn)一出混色3D打印機(jī)總體設(shè)計(jì)

1.1 運(yùn)動(dòng)控制部分單片機(jī)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1.1 硬件設(shè)備的選擇

(1) 單片機(jī)主板的選取。筆者認(rèn)為低成本的三角洲型二進(jìn)一出混色3D打印機(jī)的設(shè)計(jì)制造更加符合商業(yè)規(guī)律，從而單片機(jī)選擇了開(kāi)源平臺(tái)，型號(hào)為Arduino mega2560，如圖1所示。這是一款搭載了ATmega2560芯片的Arduino主板，它的固件采用Marlin，將控制程序通過(guò)串口通信的方式燒錄到Arduino mega2560主板上，是具有較好兼容性的開(kāi)源單片機(jī)，經(jīng)常用于Delta型3D打印機(jī)和Prusa型3D打印機(jī)控制系統(tǒng)中，其功能較為強(qiáng)大。

圖1 Arduino mega2560步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片 圖2 HR-A4988型

(2) 42步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的選取。在篩選比較后，采用HR-A4988型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，如圖2所示。這是一種價(jià)格低廉的驅(qū)動(dòng)芯片，能滿足42步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制的要求，廣泛應(yīng)用于激光雕刻機(jī)、3D打印機(jī)、3D掃描儀、二維繪圖儀的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制。

1.1.2 硬件連接

Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開(kāi)源電子原型平臺(tái)[3]，它也是一款具有自己IDE編程環(huán)境的單片機(jī)，可以在Windows操作系統(tǒng)上運(yùn)行，在機(jī)械臂、智能車輛、智能家居、無(wú)人機(jī)、3D打印領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。

在Arduino mage2560主板上面插入ramps 1.4擴(kuò)展板(見(jiàn)圖3)，將HR-A4988型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片插在ramps 1.4擴(kuò)展板的芯片卡槽上。這個(gè)擴(kuò)展板上有5個(gè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)芯片卡槽、3個(gè)限位開(kāi)關(guān)接口、2個(gè)熱敏電阻接口和1個(gè)LCD顯示屏排線接口，可分別接入三臂并聯(lián)控制部分的42步進(jìn)電機(jī)和兩個(gè)步進(jìn)擠出電動(dòng)機(jī)、三臂并聯(lián)控制部分的限位開(kāi)關(guān)、熱敏電阻以及12864 LCD顯示屏。

圖3 ramps 1.4擴(kuò)展板

1.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3D建模技術(shù)的應(yīng)用是進(jìn)行3D打印的重要根基，需要通過(guò)一些三維制圖軟件進(jìn)行建模，用到的軟件有SolidWorks、UG等三維軟件。模型建立完成后，將模型導(dǎo)出為STL文件，采用Cura軟件(如圖4所示)對(duì)三維模型的STL文件進(jìn)行切片，翻譯成為打印機(jī)控制芯片可以識(shí)別的gcode指令，將gcode指令文件復(fù)制到打印機(jī)主板的閃存卡上，打印機(jī)就可以根據(jù)gcode指令編程進(jìn)行打印。在進(jìn)行打印操作之前利用Cura軟件預(yù)覽打印物件效果圖，并在打印中實(shí)時(shí)追蹤被打印的物件所處的情況。

圖4 Cura軟件界面

2 混色3D打印耗材的選擇與研究

市場(chǎng)上現(xiàn)有的多數(shù)3D打印機(jī)所使用的耗材為PLA和ABS兩類，這兩類材料都可以通過(guò)高溫進(jìn)行融化，形成帶有黏性的液態(tài)有機(jī)溶劑，通過(guò)重新堆積，然后緩慢在室溫下冷卻重新形成具有一定強(qiáng)度的固體。

選擇材料時(shí)主要考慮到以下幾個(gè)方面：

(1) 在市場(chǎng)上，ABS樹(shù)脂的用量遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于PLA(聚乳酸)塑料，價(jià)格也更便宜。

(2) 相比于ABS樹(shù)脂，PLA作為一種可降解的生物材料，更加環(huán)保。

(3) 耐高溫性能方面，ABS略優(yōu)于PLA；加工溫度ABS為220 ℃，PLA為200 ℃。PLA樹(shù)脂更適合遠(yuǎn)距離送絲。

(4) ABS的強(qiáng)度大于PLA，但是PLA比ABS更容易成型，而且模型具有良好的光澤和明亮的顏色。而ABS三維打印模型一般需要做表面處理。

(5) ABS在加熱到一定溫度后會(huì)緩慢地轉(zhuǎn)變?yōu)槟z狀液體，不發(fā)生相變。PLA會(huì)直接由固體變?yōu)橐后w，容易造成噴嘴堵塞。在打印時(shí)，ABS比PLA更容易產(chǎn)生翹曲，如圖5所示。

圖5 ABS打印中的翹邊現(xiàn)象

綜合三角洲型3D打印機(jī)的遠(yuǎn)程送絲特點(diǎn)，考慮到對(duì)于混色3D打印機(jī)需求更多的是工藝品的制作，最后為了保證打印物件的質(zhì)量與美觀，決定采用PLA為打印機(jī)耗材。

3 三角洲型二進(jìn)一出混色3D打印機(jī)可行性驗(yàn)證試驗(yàn)

3.1 混色效果的研究

打印試驗(yàn)分為兩組，第一組打印試驗(yàn)采用手工熱熔白色和黃色的耗材，當(dāng)我們減少黃色耗材的用量，并且逐漸增加白色耗材的用量，這時(shí)耗材溶液中黃色逐漸變淺。

第二組我們采用黃色和藍(lán)色的耗材進(jìn)行混色，為方便進(jìn)行雙色PLA材料混色的研究，我們分別打印三個(gè)圓柱體物件進(jìn)行研究。打印時(shí)噴嘴與底板的距離為0.1 mm，噴嘴的加熱溫度為200 ℃.黃色與藍(lán)色耗材的送絲速度比例分別為1∶1、2∶1和1∶2進(jìn)行打印，經(jīng)過(guò)混色研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)黃色與藍(lán)色耗材以1∶1的比例混合后打印出來(lái)物件的顏色為綠色，當(dāng)比例為2∶1時(shí)打印出來(lái)物件的顏色為淺藍(lán)色，當(dāng)比例1∶2時(shí)打印出來(lái)物件的顏色為翠綠色，見(jiàn)表1。

表1 黃色和藍(lán)色耗材混色試驗(yàn)

3.2 制件打印的研究

我們首先設(shè)定雙色打印物件的程序，讓一號(hào)擠出機(jī)開(kāi)始以1.5 mm/s的速度送絲打印，隨著時(shí)間的推移，一號(hào)擠出機(jī)的速度逐漸下降，直至為零；讓二號(hào)擠出機(jī)的速度以0 mm/s開(kāi)始逐漸增加，達(dá)到1.5 mm/s的最大速度。最終完成制件的打印。

4 試驗(yàn)結(jié)論

通過(guò)上述耗材混色試驗(yàn)，我們選擇出了合適的耗材以及相應(yīng)的混合比例，并將其運(yùn)用到實(shí)際，成功地打印出了黃藍(lán)混色的筆筒(如圖6所示)和白黃混色的兔子(如圖7所示)，說(shuō)明了二進(jìn)一出混色3D打印機(jī)的可行性。

圖6 用黃色和藍(lán)色耗材打印的筆筒 圖7 用白色和黃色耗材打印的兔子

5 結(jié)語(yǔ)

本文中提到的三角洲二進(jìn)一出混色3D打印機(jī)是在Delta 3D打印機(jī)原本的機(jī)械結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了改裝升級(jí)，讓其能夠?qū)崿F(xiàn)混色物件的3D打印，我們維持了Delta 3D打印機(jī)的大部分主體結(jié)構(gòu)和控制電路，并且創(chuàng)造性地實(shí)現(xiàn)了混色打印，這為后期我們研究利用三原色混色原理制作彩色3D打印機(jī)提供了思路。