底板轉(zhuǎn)動(dòng)無(wú)支撐3D 打印機(jī)的設(shè)計(jì)

盧佳妮 李秋實(shí) 張彤

關(guān)鍵詞： 3D 打印機(jī) 無(wú)支撐打印 底板轉(zhuǎn)動(dòng) 柔性支撐

中圖分類(lèi)號(hào)： TP33 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1672-3791（2024）01-0078-04

3D 打?。?D Printing）被譽(yù)為一項(xiàng)將會(huì)改變世界的技術(shù)，是新時(shí)期材料加工的巨大進(jìn)步，極大地縮短了產(chǎn)品的研制周期，提高生產(chǎn)率并且降低了生產(chǎn)成本。

但是現(xiàn)有的3D 打印多為在垂直工作臺(tái)面進(jìn)行分層，打印時(shí)依次平行地堆疊材料，其分層堆積的特點(diǎn)決定了在制造過(guò)程中必須為具有懸空結(jié)構(gòu)的部分堆疊一定的材料作為支撐才能進(jìn)行打印。3D 打印質(zhì)量受打印模型本身支撐的影響，存在支撐結(jié)構(gòu)難以去除、產(chǎn)品表面質(zhì)量不佳、打印時(shí)間長(zhǎng)、材料利用率低和容錯(cuò)率低等問(wèn)題，這些都制約著3D 打印技術(shù)的發(fā)展［1］。

針對(duì)上述問(wèn)題，打破傳統(tǒng)的單一維度的層層堆疊，將模型進(jìn)行分區(qū)，在不同區(qū)域采用不同的堆疊方向，實(shí)現(xiàn)了模型打印的無(wú)支撐需求，解決了現(xiàn)有技術(shù)中打印懸空結(jié)構(gòu)需要添加支撐結(jié)構(gòu)的問(wèn)題。這種技術(shù)通過(guò)不斷地變換底板角度進(jìn)行模型的打印，實(shí)現(xiàn)無(wú)支撐打印的目的。為此，筆者設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)和平臺(tái)以適應(yīng)打印過(guò)程的改變［2］。

1 工作過(guò)程分析

1.1 總體工作過(guò)程

（1）加熱部分工作，將打印環(huán)境和擠出機(jī)設(shè)置至合適溫度后保持此溫度，配有溫度檢測(cè)模塊實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)［3］。

（2）將模型導(dǎo)入切片軟件，切片軟件對(duì)打印模型進(jìn)行分析，將模型進(jìn)行分區(qū)處理。

（3）擠出機(jī)進(jìn)行工作，配合步進(jìn)電機(jī)將原料層層堆疊，開(kāi)始打印。

（4）水冷工作系統(tǒng)用于噴頭的快速降溫，避免模型的損壞。

（5）先打印模型主體部分，打印完畢后Z 軸步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)底板進(jìn)行過(guò)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)結(jié)束后將底板調(diào)至合適位置。

（6）模型下方有柔性支撐，和底板配合使用后能夠使打印模型擁有更多穩(wěn)定的支撐點(diǎn)。

1.2 底板轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程

下面以圖1～圖3 為例分析打印工作過(guò)程。打印該模型前，軟件先將該模型進(jìn)行分區(qū)處理，如圖1 所示分為3 個(gè)區(qū)域。當(dāng)“1”區(qū)域打印完畢后打印平臺(tái)進(jìn)行豎直軸的轉(zhuǎn)動(dòng)（90°），模型如圖2 所示，轉(zhuǎn)動(dòng)完畢后可以形成一個(gè)新的打印平面，同時(shí)柔性支撐調(diào)整到合適位置支撐打印完畢的“1”區(qū)域，使“2”區(qū)域可以進(jìn)行打?。划?dāng)“2”區(qū)域打印完畢后，水平軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)（90°），再一次形成新的無(wú)支撐打印平面，如圖3 所示，此時(shí)可以進(jìn)行“3”區(qū)域的打?。?］。

2 結(jié)構(gòu)分析

2.1 3 軸打印機(jī)結(jié)構(gòu)分析

傳統(tǒng)的三軸類(lèi)型打印機(jī)是建立在三維坐標(biāo)系內(nèi)，在三個(gè)方向上通過(guò)步進(jìn)電機(jī)和螺紋絲桿的配合進(jìn)行工作，在模型的懸空位置通過(guò)添加樹(shù)狀支撐輔助進(jìn)行打印。

如圖4 所示，打印平臺(tái)固定在Z 軸上，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下沿豎直方向運(yùn)動(dòng)；打印噴頭固定在Y 軸上，Y 軸再與X 軸固定，在X 軸、Y 軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)下打印噴頭可以完成水平面的運(yùn)動(dòng)，結(jié)合Z 軸帶動(dòng)的打印平臺(tái)即可完成打印工作［5］。

2.2 無(wú)支撐底板轉(zhuǎn)動(dòng)3D 打印機(jī)結(jié)構(gòu)分析

本文所述的無(wú)支撐底板轉(zhuǎn)動(dòng)3D 打印機(jī)是在原有3D 打印機(jī)基礎(chǔ)上將打印平臺(tái)進(jìn)行改造，將原本只能在Z 向移動(dòng)的平臺(tái)上加入兩個(gè)維度的方向，使其加入兩軸，增加了新的打印平面的形成，使模型表面與打印噴頭之間的接觸方向變得多向化。

無(wú)支撐底板轉(zhuǎn)動(dòng)3D 打印機(jī)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于如何使打印物體不斷地形成新的打印平面。為此，筆者獨(dú)創(chuàng)性地提出打印平臺(tái)的改造，在原有控制打印平臺(tái)升降移動(dòng)的基礎(chǔ)上增加控制打印平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)和傾斜的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。如圖5 中的4-豎直轉(zhuǎn)動(dòng)所示可以使打印平臺(tái)進(jìn)行傾斜轉(zhuǎn)動(dòng)，5-水平轉(zhuǎn)動(dòng)可以使打印平臺(tái)進(jìn)行水平方向的旋轉(zhuǎn)。

2.3 總體設(shè)計(jì)方案

打印機(jī)主要結(jié)構(gòu)的三維設(shè)計(jì)圖具體如圖6 所示。槽鋁組成整體框架；步進(jìn)電機(jī)和聚碳酸酯板組成底板位于打印機(jī)中下方；移動(dòng)軸部分的絲桿、光桿和步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成Z 軸移動(dòng)軸，位于打印機(jī)后方；履帶、光桿和步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成X 軸、Y 軸移動(dòng)軸，位于打印機(jī)兩側(cè)；擠出機(jī)、加熱噴頭和特氟龍管組成進(jìn)料口位于打印機(jī)上方；槽鋁支架構(gòu)成可拆卸放料器位于打印機(jī)左側(cè)；專(zhuān)用水路組成的水冷部分位于加熱噴頭旁；激光頭及反射鏡座組成的激光雕刻部分分別位于打印機(jī)左側(cè)和擠出機(jī)旁。

3 控制電路設(shè)計(jì)

3.1 主電路板設(shè)計(jì)

（1）底板轉(zhuǎn)動(dòng)無(wú)支撐3D 打印機(jī)采用2560 芯片。這種芯片的集成度比較高，可以完成多種指令的收發(fā)，而且故障出現(xiàn)概率較小。

（2）底板轉(zhuǎn)動(dòng)無(wú)支撐3D 打印機(jī)采用USB 通信，兼容性較強(qiáng)，數(shù)據(jù)傳輸也比較穩(wěn)定

（3）底板轉(zhuǎn)動(dòng)無(wú)支撐3D 打印機(jī)的步進(jìn)電機(jī)支持多種型號(hào)，而且可以接較大的驅(qū)動(dòng)。

（4）底板轉(zhuǎn)動(dòng)無(wú)支撐3D 打印機(jī)所采用的電路板具有較高的質(zhì)量，并且散熱效果比較好，支持長(zhǎng)時(shí)間不間斷工作。

（5）采用專(zhuān)用電源芯片，支持12～24 V 電源輸入，解決Ramps 電壓轉(zhuǎn)換芯片發(fā)熱問(wèn)題。

（6）該打印機(jī)主要接收24 V 的電壓輸入，在相同的條件下可以降低輸入電流，減小總的輸入功率。

（7）固件可使用開(kāi)源固件Marlih。配置和Ramps1.4完全相同，可直接替代Ramps1.4。

（8）直接連接控制板進(jìn)行命令的輸入，讓打印控制的開(kāi)始和暫停更加靈活，具有更高等級(jí)的終端控制。

（9）充分考慮穩(wěn)定性、散熱、易用性問(wèn)題，通過(guò)連續(xù)打印獲得可靠性測(cè)試。

（10）預(yù)留了其他類(lèi)型的接口，如大電流接口，可以增大設(shè)備的兼容性，適應(yīng)多種情況的輸出。

（11）保留系統(tǒng)上的3 個(gè)接口，同時(shí)具有兩種類(lèi)型，共6 個(gè)輸出接口。

（12）可連接TFT28、TFT32 觸摸屏。

主電路板設(shè)計(jì)圖詳見(jiàn)圖7。

3.2 溫度控制系統(tǒng)

針對(duì)打印模型時(shí)需要加熱，而原有加熱方式為平臺(tái)加熱且加熱效果較差的問(wèn)題，筆者設(shè)計(jì)了一種可以多位置檢測(cè)、快速進(jìn)行調(diào)整的溫度檢測(cè)控制系統(tǒng)，詳見(jiàn)圖8。該系統(tǒng)由DS18B20 測(cè)溫模塊和AT89C51 組成，在密閉打印環(huán)境內(nèi)分布多個(gè)測(cè)溫模塊，實(shí)時(shí)將監(jiān)測(cè)到的溫度變化顯示在LCD 顯示屏幕上，減少人機(jī)交互，增加直觀性。

DS18B20 將檢測(cè)到的溫度信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號(hào)供AT89C51 處理，采用單線接口方式，僅需一根線連接，無(wú)須接口電路。電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量信號(hào)溫差小，便于使用。該溫度控制系統(tǒng)能夠極大地改善在低溫環(huán)境下打印的翹邊現(xiàn)象，大大減少打印廢件的產(chǎn)生，可以替代熱床，同時(shí)該溫度控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)環(huán)境溫度并在顯示屏上顯示控制參數(shù)［6］。

4 創(chuàng)新點(diǎn)

4.1 底板轉(zhuǎn)動(dòng)

底板由步進(jìn)電機(jī)和聚碳酸酯板構(gòu)成，主要用于打印模型的放置、固定與旋轉(zhuǎn)。模型主體打印完畢后進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，使模型處于無(wú)須支撐的打印狀態(tài)。

4.2 溫度保持

由熱吹風(fēng)組成恒溫器用以保持打印環(huán)境的溫度，實(shí)現(xiàn)恒溫功能，可以防止打印模型出現(xiàn)翹邊導(dǎo)致成品無(wú)法使用等問(wèn)題。

4.3 柔性支撐

打印模型主體部分時(shí)不需要使用柔性支撐，待主體部分打印完畢，柔性支撐開(kāi)始工作。其主要目的是給予模型支撐點(diǎn)，防止模型脫離打印平臺(tái)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文闡述了一種基于三軸3D 打印機(jī)結(jié)構(gòu)的無(wú)支撐底板轉(zhuǎn)動(dòng)3D 打印機(jī)，通過(guò)增加兩個(gè)維度的軸向轉(zhuǎn)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)懸空部件的無(wú)支撐打印，與其他多軸聯(lián)動(dòng)相比轉(zhuǎn)動(dòng)幅度更大、更徹底，為3D 打印機(jī)的高效打印提供了新的發(fā)展思路。