一篇做3D打印機的大學畢業(yè)論文：微型FDM型3D打印機的研制

姓  名           丁 萬      
摘要
　　　FDM快速成型技術(shù)，是3D打印技術(shù)的一種，它利用熱塑性材料受到擠壓成為半熔融狀態(tài)的細絲，將熔融狀態(tài)的細絲采用層層堆棧的方式，從3D CAD資料直接建構(gòu)原型的技術(shù)。微型FDM型3D打印機是在FDM技術(shù)的理論基礎上，研制成的一種桌面級的3D打印機，它為《特種加工》課程提供教學用具。本文在綜合介紹FDM型3D打印機基本內(nèi)容的基礎上，重點介紹了打印原理及打印機的結(jié)構(gòu)，并對其結(jié)構(gòu)進行了詳細的分析。自制FDM型3D打印機遵循了3D打印機開源的設計理念，同時讓設計者在動手實踐中不斷修改并優(yōu)化設計方案，滿足自身創(chuàng)新與創(chuàng)意的需要。

關鍵詞：FDM技術(shù)  快速成型  3D打印機  特種加工  開源

Abstract
　　　FDM rapid prototyping techniques, a 3D printing technology, which uses a thermoplastic material extruded into filaments by a semi-molten state, the filaments molten state with the method of layer upon layer stack, constructing a prototype technology directly from 3D CAD data. FDM 3D printer is a miniature model based on the theory FDM technology,developed into a desktop 3D printer, it provides teaching aids for the“special processing”courses.This paper describes a comprehensive FDM 3D printer basic content type,based on the principles and focuses on the structure of the printer to print, and its structure was analyzed in detail.Homemade FDM type 3D printer follows the design philosophy of open source, while allowing designers to continually modify and optimize the design of the hands-on practice, and innovative ideas to meet their own needs.

Keywords:  FDM technology  Rapid prototyping  3D printer  
　　　       Special processing  Open source

目   錄
第1章   前言        4
1.1 課題的背景和意義        4
1.2 FDM型3D打印機的國內(nèi)外發(fā)展狀況        4
1.3 本課題主要設計內(nèi)容        5
第2章  FDM型3D打印機打印原理及結(jié)構(gòu)分析        6
2.1 打印原理        6
2.2 結(jié)構(gòu)分析        6
2.2.1 機械部分        6
2.2.2 電路部分        9
2.2.3 軟件部分        11
第3章   主要零部件選擇、電路測試過程        16
3.1 主要零部件選擇        16
3.1.1 電機的選擇        16
3.1.2 擠出頭的選擇        17
3.1.3 送絲機構(gòu)的選擇        17
3.1.4 打印材料的選擇        18
3.2 電路測試過程        18
3.2.1 測試準備        18
3.2.2  連接電路板及測試電路        19
第4章  打印機的組裝及打印運行        20
4.1 打印機的組裝        20
4.2 打印運行        21
結(jié)論        22
謝辭        23
參考文獻        24

第1章   前言
1.1課題的背景和意義
　　　3D打印機（3D Printers）是一位名為恩里科·迪尼（Enrico Dini）的發(fā)明家設計的一種不同于普通打印機的機器，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。3D打印機與普通打印機工作原理基本相同，只是打印材料不同，普通打印機的打印材料是墨水和紙張，而3D打印機內(nèi)裝有金屬、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”，是實實在在的原材料，打印機與電腦連接后，通過電腦控制可以把“打印材料”一層層疊加起來，最終把計算機上的藍圖變成實物。
　　　3D打印帶來了世界性制造業(yè)革命，以前是部件設計完全依賴于生產(chǎn)工藝能否實現(xiàn)，而3D打印機的出現(xiàn)，將會顛覆這一生產(chǎn)思路，這使得企業(yè)在生產(chǎn)部件的時候不再考慮生產(chǎn)工藝問題，任何復雜形狀的設計均可以通過3D打印機來實現(xiàn)。它無需機械加工或模具，就能直接從計算機圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的物體， 從而極大地所縮短了產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，提高了生產(chǎn)率。
　　　FDM技術(shù)利用熱塑性材料受到擠壓成為半熔融狀態(tài)的細絲，由沉積在層層堆�；�礎上的方式，從3D CAD資料直接建構(gòu)原型。FDM技術(shù)的優(yōu)勢在于機械結(jié)構(gòu)簡單，設計容易，制造成本、維護成本和材料成本低，對環(huán)境無污染，因此FDM也是在家用的桌面級3D打印機中使用得最多的技術(shù)。自制微型FDM型3D打印機，能夠為《特種加工》課程在課堂上提供教學用具，為老師在課堂授課提供方便，也能使學生對FDM型3D打印機的了解更加深入。
1.2 FDM型3D打印機的國內(nèi)外發(fā)展狀況
　　　國外占據(jù)3D打印產(chǎn)業(yè)主導地位的美國3D systems、stratasys等公司，每年都投入1000多萬美元研發(fā)新技術(shù)，研發(fā)投入占銷售收入的10%左右。兩家公司不僅研發(fā)設備、材料和軟件，而且以簽約開發(fā)、直接購買等方式，獲得大量來自企業(yè)外部的相關細分技術(shù)、專利，已掌握一批關鍵核心技術(shù)。目前，世界主要發(fā)達國家紛紛開始布局，陸續(xù)出臺了相關政策和投資發(fā)展計劃，大力發(fā)展3D打印產(chǎn)業(yè)，旨在占領新工業(yè)革命的前沿陣地。一方面，美國總統(tǒng)奧巴馬在“國情咨文”中多次提及3D打印，并籌劃建立3D打印國家創(chuàng)新中心，旨在提升美國制造業(yè)的競爭力；另一方面，從歐美各國最新的太空探索計劃中，也可以看到對3D打印技術(shù)相關項目的巨額資助。
國內(nèi)部分企業(yè)對FDM型3D打印機對外國的設計方案進行改進，不斷　　　完善3D打印機。如閃鑄公司基于Makerbot機型開發(fā)的產(chǎn)品Creater。它改進了擠出頭中喉管的制作工藝，使耗材融化后能夠順利的流動，且凝固后不易沉積。擠出頭全新的擠出組件使塑料絲不易打滑，送絲精確。但是，國內(nèi)企業(yè)購置3D打印設備的數(shù)量非常有限，應用范圍狹窄。在機械、材料、信息技術(shù)等工程學科的教學課程體系中，缺乏與3D打印相關的必修環(huán)節(jié)，3D打印停留在部分學生的課外興趣研究層面，綜合來看，自制微型FDM型3D打印機對促進老師課堂教學以及學生對3D打印機的深入了解具有十分重要的意義。
1.3 本課題主要設計內(nèi)容
　　　根據(jù)收集的FDM型3D打印機的相關資料，了解3D打印機結(jié)構(gòu)的具體組成，包括機械部分、電路部分及軟件部分。機械部分學習了解步進電機的驅(qū)動與控制、機床的結(jié)構(gòu)，重點研究打印頭的結(jié)構(gòu)，以及影響打印頭打印精度的因素，并將整理好的零部件組裝，制作出一臺完整的FDM型3D打印機實物；電路部分需要了解相關電路板的知識，并在網(wǎng)上購買電路板，組裝電路板；軟件部分包括上位機軟件和下位機軟件，上位機軟件，即運行在電腦上的軟件，分為2大部分，切片和控制；下位機軟件，即運行在3D打印機主板上的軟件，主要做電機控制，軟件算法和通信，在3D打印機中為Marlin固件。
　　　本課題組共兩人，作者主要負責對FDM型3D打印機的研制。

近端送絲就是將擠出機安裝在打印頭上，材料由擠出機直接擠入喉管，在鋁塊中融化由噴嘴噴出打印。這種安裝方式由于擠出機與打印頭一起運動，打印頭質(zhì)量大，打印時慣性也大，容易使打印不精確，采用近端送絲對導軌的剛度要求也比較高。圖3-5為遠端送絲，遠端送絲是將擠出機安裝在離擠出頭較遠位置，一般安裝在打印機框架上，而不是安裝在擠出頭上，與近端送絲相比較，遠端送絲需要較大扭矩，才能將材料擠入打印頭中，它減輕了打印噴頭重量，提高了打印速度和精度，但是由于擠出機離打印頭位置較遠，一般需要安裝減速部件與增大扭矩的部件。經(jīng)過考慮，作者采用較為簡單的近端送絲機構(gòu)。3.1.4 打印材料的選擇
　　　FDM型3D打印機使用的材料一般有兩種：PLA（聚乳酸）與ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料），兩種材料在未打印呈絲狀時，外觀很接近，幾乎不可區(qū)分，如圖3-6為材料外觀，兩種材料均有1.75mm與3mm兩種類
                 型的直徑，作者選擇直徑為1.75mm的材料。下面對兩種材料的區(qū)別作簡要介紹。
　　　PLA是晶體，ABS是一種非晶體。PLA加工溫度是200℃，ABS在220℃以上。當加熱PLA時，材料像冰凍的水一樣，直接從固體變?yōu)橐后w。加熱ABS時，材料會慢慢轉(zhuǎn)換成凝膠液體，不經(jīng)過狀態(tài)改變。因為沒有相變，ABS不吸噴嘴的熱能。部分PLA，使噴嘴堵塞的風險更大。
　　　PLA與ABS相比較，PLA具有以下優(yōu)點：
PLA可以在沒有加熱床情況下打印大型零件模型而邊角不會翹起。
PLA具有較低的收縮率，即使打印較大尺寸的模型時也表現(xiàn)良好。
PLA具有較低的熔體強度，打印模型更容易塑形，表面光澤性優(yōu)異，色彩艷麗。
PLA在打印時為棉花糖氣味，不像ABS那樣有刺鼻的不良氣味。
PLA是一種新型的生物降解材料，處理時不會像ABS那樣，產(chǎn)生有毒氣體，污染環(huán)境。
　　　由于PLA打印時有以上一些優(yōu)點，作者在制作3D打印機時也沒有使用加熱床，因而優(yōu)先選用了PLA材料。
3.2 電路測試過程
3.2.1 測試準備
　　　在連接電路和調(diào)試之前，需要做一些準備工作，以保證打印機調(diào)試過程的順利進行。
　　　打開軟件Arduino IDE，用來將固件傳輸?shù)街骺匕迳�，傳輸方法：在Arduino IDE中選擇Tools→Boards→Arduino Mega 2560，然后選擇串口Toolss→Serials ports→相應的串口，點擊編譯并下載到板子上，注意，編譯下載前，確定固件中兩行代碼已經(jīng)過修改，改動后的代碼為：#define BAUDRATE 250000，#define MOTHERBOARD 33。這兩行代碼的意義在固件中已作解釋，這里不再作說明。固件在進行上傳的時候，主控板上的LED燈會不停的閃，等待上傳完成，就可以進行電路板的連接及測試了。
3.2.2  連接電路板及測試電路
　　　斷開USB數(shù)據(jù)線，將Ramps 1.4拓展板連接到主控板上，注意不要連接錯誤，Ramps上背面的插針應該都連接到主控板才對。然后連接熱敏電阻到板子相應位置，此時打開Pronterface軟件，選擇串口（一般是最后一個），設置波特率為250000，點擊連接，如果正常，右側(cè)會有連接成功的提示文字，并且下面的操作步驟將可以正常進行了。
　　　通過Pronterface軟件上的“check temp”（讀取溫度），可以獲得熱敏電阻的溫度，因為熱敏電阻是直接連上的，所以讀取的溫度應接近所在實驗室的室溫，如果讀取值為0，則表示連接有誤，需檢查。
　　　雖然沒有連接加熱頭，但可以進行簡單測試，首先連接12V的電源，然后設置加熱頭的溫度為185℃，此時拓展板上有紅色的LED燈會亮，說明這部分電路正常，關掉即可。然后在Pronterface軟件右下角輸入命令M106 S255點擊發(fā)送，這個命令用來打開風扇控制，此時風扇會轉(zhuǎn)動，拓展板上另一個紅色LED燈會亮，輸入M107點發(fā)送可以關掉風扇。
　　　接下來進行步進電機的測試，斷開電源，將A4988驅(qū)動板接入Ramps1.4板子，注意插入方向是否正確，否則可能會燒壞電路板。這時，至少應該有一個電機進行測試，電機接線用萬用表200Ω檔測電阻，兩線間有電阻則為同相，同相鄰接，一般也可按電機線紅藍綠黃顏色的順序依次連接。連線完成后，接通電源，通過Pronterface嘗試讓電機動起來，比如將電機接到X軸上，點擊X軸電機+10mm，電機會轉(zhuǎn)動，點擊－10mm，電機會反轉(zhuǎn)。用同樣的方式可以測試Y軸和Z軸，注意，更改測試的電機時應該關閉電源，連線完畢后再打開電源。擠出電機當溫度達不到時是不能測試的，可以將其A4988驅(qū)動板安裝到XY或Z上進行測試，以保證驅(qū)動器的正常。

第4章  打印機的組裝及打印運行
4.1 打印機的組裝
　　　3D打印機的組裝過程，就是將已經(jīng)準備的零部件按照一定的順序和步驟逐步安裝起來，最后形成一臺完整打印機的過程。圖4-1為一臺理論標準制作的3D打印機，圖4-2為作者安裝完后的打印機整體結(jié)構(gòu)圖，下面介紹打印機的組裝過程。
                                     
     圖4-1 標準3D打印機            圖4-2 打印機實際組裝圖
　　　首先作者進行打印機框架的組裝，如圖4-2所示，將準備好的12根鋁型材，底面和頂部分別使用4根，豎直方向也使用4根，使用圖4-3所示的
   
　　　    圖4-3  直角連接件              圖4-4   滑塊
直角連接件、圖4-4所示的滑塊連接，用螺栓擰緊固定，構(gòu)成打印機的基本框架。
　　　然后開始搭建XY軸所在平面，與組裝打印機外部框架相似，將8根鋁型材相互連接，并安裝上光桿與箱式軸承滑塊，安裝擠出頭的鋁型材固定在兩根光桿中間，并連接上同步帶與XY軸步進電機，XY軸所在平面也是由直角連接件和滑塊，固定在打印機的外部框架上。圖3-1中，步進電機由電機座安裝在鋁型材上，在第二章中作者已經(jīng)介紹，擠出頭通過螺紋與滑塊連接，滑塊由電機帶動，在直線導軌上運動。

　　　前面已經(jīng)提到，作者制作時使用XY軸所在平面的運動平臺，固定其中一個方向，讓另一個方向在Z方向運動，由此替代絲桿的傳動。由此，打印臺的Z方向運動也就確定了。由于作者未購買打印臺，作者用方形木板代替打印臺進行打印。
4.2 打印運行
　　　電路連線測試完畢，以及機器組裝均完成后，就可以打印三維模型了。如圖4-5，作者用solidworks畫了一個20×20×8的長方體塊，保存的STL文
         
圖4-5  長方體模型
件在切片軟件中打開，然后發(fā)送G代碼到Pronterface中，點擊連接進行打印。
　　　第一次打印失敗，原因是作者用限位開關找打印原點時，限位開關的位置設置不夠精確，使得Z方向上噴嘴最下端與打印臺距離相距過大，材料未成功粘到打印臺上。由于手動肉眼調(diào)整限位開關位置，所以誤差存在也比較正常，需要多次調(diào)整找正原點位置。
　　　經(jīng)過多次測試，在成功找正原點后，再次運行，第一層材料順利粘接到打印臺上，但打印過程中作者發(fā)現(xiàn)，打印第一層以上各層時，噴嘴下端進入被加熱熔化的材料中，使噴嘴拖動材料在打印臺上運動，也未打印出完整模型。作者在切片軟件中將每層打印高度由0.3設置為0.4，此時打印精度比較前面有很大改觀。

結(jié)論
　　　在做畢業(yè)的這將近一個學期的時間里，作者從收集資料做起，通過各種途徑收集有關FDM型3D打印機的相關內(nèi)容，然后從中篩選，整理出制作3D打印機有用的資料，然后集中學習整理的相關資料，購買相關硬件器材，學習使用打印需要的軟件，一步步安裝打印機，調(diào)試打印機，到最后運行打印過程，并打印出完整的模型。不懈的努力有了令人滿意的結(jié)果，自制3D打印機的過程是一個動手的過程，通過動手制作的鍛煉，讓作者的動手能力得到了極大的提高，也增強了作者綜合運用學科知識以解決實際問題的能力。
　　　這是作者初次進行這種比較正式的設計，由于設計的時間比較短，理論知識水平也十分有限，在許多方面作者的了解還不夠透徹，可能把握全局的目光還不夠長遠，所以自制的3D打印機還存在不少缺點。
　　　在第一次運行打印機時作者失敗了，通過總結(jié)知道，原因出在限位開關上，找打印原點時，限位開關的位置設置不夠精確，使得Z方向上噴嘴最下端與打印臺距離相距過大，材料未成功粘到打印臺上，作者通過多次調(diào)整找正原點位置，但這種方式比較麻煩，可以使用光電開關代替限位開關，這樣精度會更高。后來，在打印過程中作者發(fā)現(xiàn)，打印第一層以上各層噴嘴下端進入被加熱熔化的材料中，使噴嘴拖動材料在打印臺上運動，也未打印出完整模型。在切片軟件中將每層打印高度的設置更改后，打印精度比較前面有很大改觀，這說明切片軟件的設置對打印精度的影響尤為重要，但切片軟件參數(shù)的設置比較需要打印者的經(jīng)驗，通過打印者在實際操作中不斷總結(jié)，優(yōu)化參數(shù)設置，提高打印精度，由于作者接觸打印機的時間還比較短，經(jīng)驗還不足，所以打印精度也不夠高。另外，在打印時，作者發(fā)現(xiàn)打印頭的震動很大，這無疑也會影響打印的精度，其原因是打印機組成零部件的精度不高，零部件表面也比較粗糙，如導軌不夠光滑，滑塊本身粗糙度大等等，可以選用更為精密的零件，以提高打印精度。打印機的運行是一個不斷優(yōu)化的過程，所以還有很多方面可以調(diào)整與改進。
　　　打印機的成功設計是小組成員共同努力的結(jié)果，也離不開導師的耐心指導，從中作者知道了團隊合作的重要性，這也提高了制作者的團隊合作能力。作者主要負責的是3D打印機研制的相關內(nèi)容，即制作出一臺完整的3D打印機，通過動手實踐，作者知道了3D打印機的工作原理和組成結(jié)構(gòu)，在思考與操作的過程中，以前作者所學的知識也得到了綜合運用和復習，讓作者對知識運用于實踐的認識有了一個新的高度。

謝辭
　　　三個多月的時間里，通過不斷的努力，在張可維老師的悉心指導和同組同學馮杰的共同支持下，與作者共同研制出了一臺微型FDM型3D打印機。
　　　這段時間的學習讓作者倍感充實，在打印機制作前期，作者收集各方面的資料，準備了很長一段時間，這段時間的學習，讓作者對3D打印機有了一個初步的認識和了解，同時在不斷學習的過程中，作者對3D打印機的興趣也越來越濃厚，這促使作者更渴望制作一臺完整的3D打印機。由于是初次進行這種比較正式的設計，在許多方面作者可能了解還不夠透徹，目光也不夠長遠，但在老師的鼓勵與幫助下，作者學會動手制作出一臺完整的機器，把所學的各方面的知識綜合運用到實踐中，這對于作者來說是前所未有的。
　　　在這三個多月的時間里，導師張可維老師給了作者巨大的幫助，而且在作者組裝打印機的最后階段，每天晚上都與作者共同工作到很晚才回家，辛苦敬業(yè)，在此特別向張老師表示衷心的感謝！
　　　　由于知識有限和初次進行比較正式的設計，本文難免有錯誤之處，望老師和同學批評指正，謝謝！


參考文獻

[1] 張楠，李飛. 3D打印技術(shù)的發(fā)展與應用對未來產(chǎn)品設計的影響[J].河北石家莊：河北科技大學藝術(shù)學院，2013，30（7）:97-99.

[2] 張永，周天瑞，徐春暉.熔融沉積快速成型工藝成型精度的影響因素及對策[J]，南昌大學學報，2007，29（3）：252-256.

[3] 王瑞玲.3D打印機設計的初步分析[D].黑龍江：黑龍江生態(tài)工程職業(yè)學院.

[4] R.Neugebauer.New high-speed machine tool structure by holistic mechatronic systems design[J].Fraunhofer Institute for Machine Tools and Forming Technology，2012，307-312.

[5] 蔡睿妍.Arduino的原理及應用[J].電子設計工程，2012，20（16）：155-157.

[6] 彭安華，張劍峰.FDM工藝中支撐添加技術(shù)的研究[J].機床與液壓，2007，35（12）：67-70.

[7] 周偉，胡紅專.基于功率放大器的步進電機驅(qū)動控制[J].伺服技術(shù)，2001，33（3）：33-35.

[8] QI Fa -Qun.Design of stepping motor control system based on AT89C51 microcontroller[J].School of Mechanical and Electronic Engineering，2011，15 (2011) 2276 – 2280.

[9] 曹一青.基于TUIZ理論的熔融沉積快速成型技術(shù)優(yōu)化研究[D].內(nèi)蒙古：內(nèi)蒙古科技大學，2013.

[10] 余夢.熔融沉積成型材料與支撐材料的研究[D].武漢：華中科技大學，2007.

[11] 施建平.基于FDM工藝的多材料數(shù)字化制造技術(shù)研究[D].南京：南京師范大學，2013.

[12] 李小麗，馬劍熊.3D打印技術(shù)及應用趨勢[J].上海：上海產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，2014，35（1）：1-5.

[13] 劉亞東，李從心，王小新.步進電機的精確控制[J].上海交通大學學報，2001，35（10）:1517-1520.

[14] 戴磊，關振群.機床結(jié)構(gòu)三維參數(shù)化形狀優(yōu)化設計[D].機械工程學報2008，44(5)：152-159.

[15] 陳興文，劉燕.基于單片機控制步進電機細分驅(qū)動的實現(xiàn)[J].機械設計與制造，2005：91-92.

[16] 劉景林，王帥夫.數(shù)控機床用多步進電機伺服系統(tǒng)控制[D].電機與控制學報，2013，17（5）：80-86.

[17] 秦忠，呂彥明.基于運動控制卡的電路板雕刻機的開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究[J].機床與液壓，2009，37（6）：45-47.

[18] 丁偉雄，楊定安，宋曉光.步進電機的控制原理及其單片機控制實現(xiàn)[D].佛山：佛山科學技術(shù)學院，2005：127-129.

[19] 劉國永，陳杰平.單片機控制步進電機系統(tǒng)設計[J].安徽技術(shù)師范學院學報，2002，16（4），61-63.

[20] 郭磊，薛艷敏，王偉.FDM快速成型技術(shù)對產(chǎn)品模型表面質(zhì)量的影響[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2005，18（5）：52-54.

[21] 楊志云，劉志欣，司海峰.基于PIC單片機控制步進電機實用技術(shù)[D].石家莊：石家莊法商職業(yè)技術(shù)學院，2008，41(11)：99-101.

第2章  FDM型3D打印機打印原理及結(jié)構(gòu)分析
2.1 打印原理
　　　FDM（Fused Deposition Modeling，熔融沉積成型工藝）是目前比較成熟的快速成型工藝中的一種技術(shù)，它是繼LOM（分成物體制造）工藝和SLA（激光快速成型）工藝之后發(fā)展起來的一種3D打印技術(shù)。FDM工藝的基本原理為FDM INSIGHT軟件自動將3D數(shù)模（由CATIA或UG、PRO-E等三維設計軟件得到）分層，自動生成每層的模型成型路徑和必要的支撐路徑。熱融頭將絲狀熱熔性材料加熱融化，通過帶有一個微細噴嘴的噴頭擠噴出來，由于成型室保持一定的溫度，該溫度下熔融的材料既可以有一定的流動性又能保證很好的精度。一層成型完成后，機器工作臺下降一個高度（即分層厚度）再成型下一層，如此直到工件完成。
　　　FDM快速成型技術(shù)利用熱塑性材料受到擠壓成為半熔融狀態(tài)的細絲，由沉積在層層堆�；�礎上的方式，從3D CAD資料直接建構(gòu)原型。FDM可采用的成型材料很多，如改性后的石蠟、(丙烯腈／丁二烯／苯乙烯)共聚物(ABS)、尼龍、橡膠等熱塑性材料，以及多相混合材料，如金屬粉末、陶瓷粉末、短纖維等與熱塑性材料的混合物。其中PLA（聚乳酸）具有較低的收縮率，打印模型更容易塑形，以及可生物降解等優(yōu)點，現(xiàn)今大多數(shù)桌面FDM型3D打印機均采用這種材料。
2.2 結(jié)構(gòu)分析
2.2.1 機械部分


　　　FDM型3D打印機的機械部分最為復雜，涉及到的零部件也比較多，如圖2-1，為3D打印機完整結(jié)構(gòu)圖，制作一臺完整的FDM型3D打印機，簡單來說，首先需要制作3D打印機的外部基本框架結(jié)構(gòu)，在此框架上才能安裝搭建其它零部件。3D打印機可以采用激光切割后的實木板或者鋁型材作為機器的框架，如圖2-2、圖2-3中所示，這里，作者采用實驗室已有的材料鋁型材搭建打印機的框架。


　　　框架組裝完成后，接著需要在框架上搭建一個三軸聯(lián)動的平臺，即控制打印頭在X、Y方向的運動，打印臺在Z方向的運動，X、Y軸分別采用兩個步進電機驅(qū)動，步進電機與同步帶相連，圖2-4中，滑塊一端固定在圖2-5中的同步帶上，通過光桿的導向作用，同步帶帶動滑塊運動，進而帶動打印頭在X、Y軸的運動。


　　　同樣，Z軸采用步進電機驅(qū)動，如圖2-6，步進電機與絲桿相連，帶動絲桿在Z軸運動，同時Z軸需要安裝兩根光桿，起導向作用，通過這些結(jié)構(gòu)，帶動打印臺在Z方向運動。圖2-7中所示，由于實驗室另外有多余的XY軸的運動平臺，只需固定其中一個方向，讓另一個方向在Z方向運動，由此替代絲桿的傳動。


　　　對于3D打印機而言，擠出頭是其核心的部件，就市面上比較有名的FDM型3D打印機而言，大多數(shù)采用加熱棒對鋁塊進行加熱。圖2-8中，塑料絲通過擠出機將絲從進口端擠入，通過喉管導向，到達鋁塊，經(jīng)過熔化，進入噴嘴，最后由噴嘴擠出。由于喉管內(nèi)徑比塑料絲直徑稍大，故融化后的塑料絲在進端進絲壓力作用下較易從噴嘴擠出。鋁塊內(nèi)部裝有熱敏電阻來讀取溫度進而由主控板來控制溫度，保證溫度在塑料絲的熔融溫度之上。


打印頭中的喉管由不銹鋼制造，是為了降低其導熱性能，不銹鋼喉管有些內(nèi)部還襯有鐵氟龍，由于擠出頭長期加熱打印致使吼管內(nèi)部溫度升高，導致管內(nèi)料也處在熔融狀態(tài)，當停止打印冷卻后，材料就黏結(jié)在管內(nèi)，下次重新開機打印時，管內(nèi)黏著料不能馬上融化，使喉管出現(xiàn)堵料現(xiàn)象 ，喉管內(nèi)部襯鐵氟龍，使喉管內(nèi)料都不會熔融黏著 ，能大大改善堵頭問題。同時作者在擠出頭外加散熱片和風扇，主要也是為了降低喉管上部的溫度，防止堵頭問題，也可以為擠出機散熱。加熱熔化后的塑料絲由噴嘴擠到打印臺上，如果為了減少塑料因溫度驟減而發(fā)生翹邊和收縮等不良現(xiàn)象，作者可以將打印臺做成加熱床，床內(nèi)有熱敏電阻與電路板相連，來控制加熱床的溫度，為了節(jié)約制作成本，作者就不使用加熱床了。
2.2.2 電路部分
　　　3D打印機電路部分在打印機中起的作用是控制整個打印過程協(xié)調(diào)、有序、完整的運行。FDM型3D打印機電路部分主要包括Arduino mega 2560主控板，Ramps 1.4拓展板以及步進電機驅(qū)動板。下面對它們的基本參數(shù)和作用，作如下介紹。
a) Arduino Mega 2560主控板


　　　Arduino Mega 2560主控板的微控制器為atmega2560，工作電壓為5V，數(shù)字I/O引腳為54個，模擬輸入引腳為16個，每個I/O引腳的直流電流為50毫安，主控板是3D打印機的大腦，負責控制整個打印機來完成特定的動作，如打印特定的文件等。這里需要說明，拓展版給主控板供電的二級管不焊接，也就是需要單獨給mega 2560主控板供電，直接使用USB 5V或通過電源接頭供電。
　　　Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺，包含硬件（各種型號的Arduino板）和軟件（Arduino IDE)，它開放源代碼的電路圖設計，程序開發(fā)接口免費下載，也可依個人需要修改，它滿足了不同人群創(chuàng)新創(chuàng)意的需要。3D打印機運行前，需要在Arduino IDE中下載Marlin固件，根據(jù)需要修改固件中部分參數(shù)來滿足打印的要求。
b) Ramps 1.4拓展版
拓展板Ramps 1.4插在主控板上，通過插針與主控板相連，有了它是為了更好的與其它硬件進行連接和控制，起到過渡橋梁的作用。拓展板需要接兩個12V電源，其中一個為11A，為加熱床供電，另一個為5A，為擠出　　　機、各軸電機及風扇等元件供電，由于作者未使用加熱床，只使用一個12V、5A電源即可。Ramps 1.4拓展板上還有風扇輸出與加熱棒輸出指示的LED，擠出機與各軸電機均通過步進電機驅(qū)動板A4988由主控板控制，由于作者采用單機頭打印機，擠出機2電機接口不用安裝A4988，位于拓展板右上角，有X、Y、Z方向的限位開關，可以控制打印機每次工作時的原點。拓展板的接線如圖2-10中所示。


c) A4988步進電機驅(qū)動板
　　　A4988步進電機驅(qū)動板是用來連接步進電機的，從而實現(xiàn)主控板對步進電機的控制，實現(xiàn)XYZ軸電機及擠出機的動作。A4988步進電機驅(qū)動板的特點是，它只有簡單的步進和方向控制接口，有5個不同的步進模式：全、半、1/4、1/8和1/16，可調(diào)電位器可以調(diào)節(jié)最大電流輸出，從而獲得更高的步進率，有過熱關閉電路、欠壓鎖定、交叉電流保護的功能，以及接地短路保護和加載短路保護的作用。如圖2-11所示，驅(qū)動板通過引腳接插到拓展板中對應的接口上。
2.2.3 軟件部分
　　　前面作者已經(jīng)知道，3D打印機軟件部分包括上位機軟件和下位機軟件兩大部分，而每部分又有細分，通過軟件的運行，作者才能實現(xiàn)主控板對打印參數(shù)的設置及控制。一臺3D打印機所有軟件完整運行的過程如下：首先，作者需要在電腦上的三維建模軟件中完成零件的建模，如Solidworks、
UG、3D Max等三維軟件，創(chuàng)建完3D模型以后將文件另存為STL格式，將 STL文件在切片軟件Slic3r中打開，通過一系列的打印設置，進行切片產(chǎn)生代碼，在另一上位機軟件Pronterface上將代碼打開，并連接主板，主板上的下位機軟件為Marlin固件，運行前已提前進行參數(shù)設置，連接成功后，主板上的LED燈會閃爍，待打印機上加熱管加熱，溫度升至設定溫度后開始打印。下面具體介紹一下打印機的軟件部分。
a) 下位機軟件Marlin固件
　　　Marlin固件為自由軟件，可以直接用來做軟件開發(fā)，而作者在3D打印機中使用Marlin固件時，只需要在Arduino IDE軟件中下載完固件，找到Marlin固件中的Configuration.h文件，可根據(jù)自己的需要來修改相關的代碼內(nèi)容，作者研制的打印機需要做如下修改。
　　　找到
　　　#define BAUDRATE 250000
　　　這項代碼意義為：電腦通過USB線鏈接打印機的通信波特率，單位為bps，在后面打開的Pronterface軟件中需將波特率也設置成250000，才能成功連接主板。接著需要找到
　　　#define MOTHERBOARD 33
　　　這項代碼意義為：電路板型號，RAMPS1.4版本，對應的配置應該為33（單打印頭配置），和34（雙打印頭配置），此處作者填寫為33。其它參數(shù)暫時默認即可。軟件運行如圖2-12中所示。

　　　Marlin固件是比較新的一個固件，并且很多使用對其進行了改進，它有如下一些特點：有預加速功能，使得打印機在打弧線時速度更快、更流暢；溫度測量更精確、讀數(shù)更準確；自動調(diào)節(jié)的PID溫度控制；最早支持LCD顯示，以及支持SD卡。
b) 上位機切片軟件Slic3r
Slic3r為3D打印機的切片軟件，它的作用是將三維模型的STL文件進行切片分層，切片設置完成后，輸出G代碼，在Pronterface中打開G代碼。



Slic3r的設置參數(shù)比較多，圖2-13為對一長方體模型進行切片設置，圖中可以看到，Slic3r第一個工具叫Plater，它允許在進行切片前加載和安排一個或多個模型。由三維軟件獲得模型的STL文件，將它拖到Plater（或者通過文件菜單打開），plater將會加載它，并在距離模型幾毫米的周圍產(chǎn)生一條skirt輪廓線，模型也可以在軟件中進行重新定位。軟件界面右側(cè)則是對加載模型的操作選項，可以通過選項對模型進行調(diào)整，具體操作命令的意義如下。
More/Less 增加或減少模型數(shù)量。
45/Rotate 旋轉(zhuǎn)，Z軸45度旋轉(zhuǎn)，順時針或逆時針。
scale 比例，放大或縮小。
split 分裂，把一個模型分裂成多個部分組成并允許每個單獨安排。
   在文件列表的底部按鈕可以添加、刪除、自動安排和導出模型。
Add 添加模型。
Delete/Delete All 刪除一個模型或所有模型。
Autoarrange 自動安排最優(yōu)布局。
Export G-code 切片模型并生成G-code。
Export STL 保存當前設定的模型。
　　　Slic3r后面的三個設置為打印設置，填充設置以及打印機的設置，根據(jù)需要逐步進行設置，這里不再列出其具體的設置選項。根據(jù)作者對打印機最終的調(diào)試結(jié)果顯示，打印第一層的重要性必須引起注意，如果第一層沒有處理好，將導致徹底失敗，模型將部分分離和扭曲。下面是為提高第一層的打印精度，作者總結(jié)的一些注意事項。
　　　第一層高度：第一層作為粘接層需要更多的熱量以及擠出跟多耗材，一般設置為噴嘴直徑。例如0.4mm的噴嘴則設置第一層高度為0.4mm。
　　　更寬的擠出寬度：材料接觸打印床越多越好，這個可以通過設置擠出第一層寬度設置，可以使用百分比和固定值兩種方式設置。 推薦大約200%的設置，但是這個要結(jié)合第一層打印高度設置，例如第一層打印高度設置為0.1mm，擠出寬度設置為200%，那么實際得到的寬帶是0.2mm,這個是小于噴嘴直徑的，這樣會導致擠出過少的熔絲打印失敗。
　　　更高的打印溫度：擠出機加熱端假如加熱了，可以設置第一層溫度更高點，這樣可以降低打印耗材的粘度，做為一個經(jīng)驗值參考，推薦額外提高5°C。
　　　打印床位置的水平：有一個水平的床至關重要。噴嘴位置與打印床接觸過低將會堵住噴嘴口并擦傷打印床，過高將導致打印絲不能粘在打印床上。
Slic3r是一個比較實用的分層工具，軟件中的很多參數(shù)都是分層工具自己算出來的，用戶只需要填寫少量的配置參數(shù)，并且因為它易于使用，分層速度快，打印質(zhì)量高，如今是非常流行的分層工具。
c) 上位機打印控制軟件Pronterface
通過Slic3r切片完成后保存的文件G-code，在Pronterface中打開，如圖2-14所示，將打印機主板與電腦主機通過USB接口連接后，選擇與打印



機主控板相同的端口，點擊界面上的Connect按鈕，實現(xiàn)電腦與打印機的連接，此時，可以對打印機進行直接操作。Pronterface中也可以對打印進行設置，下面對Pronterface界面功能進行介紹。
　　　Port選項用于連接端口的選擇，將打印機與電腦連接后，通常會自動轉(zhuǎn)變?yōu)楫斍皩�應端口。如果沒有自動轉(zhuǎn)變，可重啟Pronterface 軟件，或者手動選擇（通常為編號最后一個）。前面已經(jīng)說明，波特率應與Marlin固件的波特率一致，改為250000（只要固件與控制軟件設置的波特率一致即可）。
　　　Connect/Disconnect按鈕用于打印機與電腦的連接或斷開。Reset按鈕用于重置打印機設置。Load file按鈕用于載入打印模型的G代碼文件。Compose用于Pronteface軟件在簡單模式和一般模式之間的選擇，建議使用一般模式，即默認的視圖模式。 SD卡按鈕用于裝備SD卡擴展插槽的機型，可從事先準備好的SD中提取相關模型的G代碼。Print是開始打印的命令按鈕。Pause是打印中途暫停按鈕，但打印過程中按此鍵有可能造成模型數(shù)據(jù)前后不一致，建議一次性打印完畢。 XY軸、Z軸用于調(diào)整機器X、Y、Z的最高運行速度，可根據(jù)實際情況適當調(diào)整。
　　　圖左側(cè)的X、Y、Z圓形區(qū)域版塊用于電機調(diào)整，其中左下角房屋按鍵用于將X、Y、Z軸歸零，使得打印頭確定原點位置。界面中的數(shù)字表示點擊一下該按鈕，各軸移動的距離，單位是mm。需要注意的是，打印機因型號不同，實際運行軌跡可能與箭頭指示方向相反，這個作者只需將步進電機不同兩相的接線互換位置 即可。

　　　Heat選項指打印頭溫度設置，可根據(jù)打印耗材的不同，在ABS和PLA兩種材料之間選擇相應溫度，然后點擊Set按鍵開始加熱。Off 按鍵用于停止加熱。Bed選項指熱床溫度設置，由于作者制作時未使用熱床，不必對其進行設置。Extrude按鈕用于控制擠出機擠出動作，Reverse按鈕用于控制擠出機后退動作。需要注意的是，只有當打印頭溫度達到規(guī)定溫度（如ABS：230度，PLA：185度)，擠出機才會做出相應動作。
　　　特別需要注意的是，當每一次啟動3D打印機時，是沒有確定其原點的，不要選擇過大單位（如100mm）的按鈕或連續(xù)點擊小單位按鈕進行測試，以免對機器造成損害。只有將打印頭至于原點（即通過點擊左下角房屋按鈕確定），打印機的有效行程才能固定激活，避免機器損害。

第3章   主要零部件選擇、電路測試過程
3.1 主要零部件選擇
3.1.1 電機的選擇
　　　步進電機是通過電流脈沖來精確控制轉(zhuǎn)動量的電機，電流脈沖是由步進電機驅(qū)動單元供給的。FDM型3D打印機一般選用42步進電機，且為兩相四線，同相之間有電阻，可通過萬用表測量。步距角為1.8°，也就是電機轉(zhuǎn)動一周為200步。轉(zhuǎn)軸直徑為5mm，轉(zhuǎn)矩大小根據(jù)電機具體型號不同而變化，打印機上擠出機需要轉(zhuǎn)矩較大，可選擇轉(zhuǎn)矩稍大的步進電機。選擇步進電機時需要看額定電壓與電流參數(shù)，比較典型的是2.8V和1.7A，只要步進電機驅(qū)動單元能控制電流輸出，理論上可以使用任何比電機額定電壓高的供電電壓。如果驅(qū)動單元無法控制電流輸出，則需要使用同額定電壓接近的供電電壓，否則電機會有過熱風險。自制3D打印機一般需要4個步進電機，X、Y、Z軸各一個，擠出機一個。


圖3-1  42步進電機
　　　步進電機外接同步帶，作者可以計算同步帶運動1 mm，也就是打印頭移動1mm時所對應的步數(shù)，由以下公式計算：
　　　步數(shù)=電機旋轉(zhuǎn)一周的步數(shù)×驅(qū)動板的細分數(shù)÷帶間距÷步進電機上齒的數(shù)量。
　　　例如，作者來計算一下，42步進電機轉(zhuǎn)一周為200步，步進電機的驅(qū)動板通過控制電流大小對步數(shù)進行細分，比如16細分是指在1.8°一步的基礎上再細分16步。帶間距是同步帶上兩個齒之間的距離，所以，T5的帶間距是5mm，最后數(shù)出步進電機上齒的數(shù)量為12，再根據(jù)上面的公式算出步數(shù)。得到結(jié)果：步數(shù)=200×16÷5÷12=53.3333。然后根據(jù)計算，在Marlin固件中修改XYZ軸電機以及擠出機的步數(shù)。

3.1.2 擠出頭的選擇
　　　在第二章3D打印機的機械部分中作者已經(jīng)說明了擠出頭的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，擠出頭分為單擠頭與雙擠頭，雙擠頭的結(jié)構(gòu)如圖3-2所示，與
        
圖3-2  單擠頭                  圖3-3  雙擠頭
單擠頭相比較，雙擠頭采用兩個擠出頭并列排列，并將相對位置固定，由于有兩個噴頭，雙擠頭的打印速度更快，打印效率也更高，雙擠頭安裝在滑塊上，由滑塊與導軌連接，由于其質(zhì)量更大，運行時產(chǎn)生的慣性更大，對導軌的剛度要求也更高，這樣會降低打印的精度。位于擠出頭最下端噴頭的噴嘴直徑有四種類型：0.2mm，0.3mm，0.4mm，0.5mm，市場上應用最廣的是0.4mm的噴嘴，當然根據(jù)實際需要可以購買不同直徑的噴嘴，這里值得提出注意的是，選定好噴嘴直徑后，也要在打印時軟件中設置好相應的參數(shù)，如切片軟件中的打印層高、打印速度等，使打印的質(zhì)量和精度更高。為簡便制作，作者購買的是圖3-2所示的單擠頭，噴嘴直徑為0.4mm。
3.1.3 送絲機構(gòu)的選擇
　　　3D打印機的送絲機構(gòu)有遠端送絲與近端送絲兩種，圖3-4為近端送絲，
                          
        圖3-4 近端送絲                 圖3-5 遠端送絲
近端送絲就是將擠出機安裝在打印頭上，材料由擠出機直接擠入喉管，在鋁塊中融化由噴嘴噴出打印。這種安裝方式由于擠出機與打印頭一起運動，打印頭質(zhì)量大，打印時慣性也大，容易使打印不精確，采用近端送絲對導軌的剛度要求也比較高。圖3-5為遠端送絲，遠端送絲是將擠出機安裝在離擠出頭較遠位置，一般安裝在打印機框架上，而不是安裝在擠出頭上，與近端送絲相比較，遠端送絲需要較大扭矩，才能將材料擠入打印頭中，它

{:soso_e134:}

頂啊。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。文件呢？

好好好可以啊。。。。。。。。。。。。

不错

感謝分享，對我的幫助很大

牛666，做小型的不錯