微型低温FDM3D打印机开发研究

石路晶 谢久明

摘  要：为了将传统的FDM 3D打印机更好地应用到教育领域，特开发了适合儿童及零基础成人的3D打印机。该设备采用低温聚己内酯材料以确保使用安全，另外其外形尺寸小巧适合家庭等场景使用。在操作方面采用内置云端模型库的方式降低了建模的难度，精度方面采用直角坐标模式及双直线导轨来保证，集成控制单元选择使用乐积科技的LERDGE-K来操控打印机的动作，保证其有序完整地完成打印过程。

关键词：3D打印  桌面级  低温打印材料

中图分类号：TP33   文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）10（b）-0001-04

近年来3D打印产业持续升温，FDM型桌面级3D打印机不断地被应用到STEAM教育领域，为中国的儿童青少年教育提供了良好的平台，该设备研发针对儿童的使用特点，是一种小型化、低温化的迷你桌面级FDM型3D打印机（见图1）。

FDM是3D打印中的熔融沉积成型技术，打印时采用的堆叠薄层的形式有多种多样。常用的3D打印机采用的是熔融沉积快速成型。熔融沉积又叫熔丝沉积[1]，它是将丝状热熔性材料加热融化，通过带有一个细的喷嘴的喷头喷出来。从热喷嘴挤出的材料，沉积在制作面板或者前一层已固化的材料上，温度低于固化温度后开始固化，通过材料的层层堆积形成最终成品。

1  微型低温FDM 3D打印机具体特点

1.1 使用材料特点

目前用于FDM型3D打印机最常见的打印材料是PLA（聚乳酸）和工程塑料ABS（丙烯晴-丁二烯-苯乙烯共聚物），其他树脂材料如PC（聚碳酸酯）、PP（聚丙烯）等，虽然其性能优良但在3D打印领域的应用还需进一步研究。PLA树脂从玉米、木薯中提取原料生产，其具有可生物降解是一种绿色环保的材料;作为3D打印的材料其具有性能稳定、打印过程中不产生有毒物质、打印出的制品表面光泽度好等优势。但是PLA树脂的熔融温度为180℃～200℃，这就使得其3D打印时喷嘴温度为200℃，热床温度50℃，低龄儿童进行3D打印操作时会有烫伤的危险。ABS树脂则是载3D打印时会释放出微毒气体，更不适合儿童使用。而该研究中使用的材料PCL（聚己内酯）树脂是一种新型生物基聚酯材料，它的熔点为60℃，也是一种生物可降解材料，自然环境下其6～12个月即可完全降解。这样其3D打印时喷嘴温度为60℃左右，热床温度为15℃～25℃，与其他材料相比大大提高了使用的安全性。材料性能对比见表1。

1.2 设备精度特点

该设备采用了双直线导轨（台湾CPC）以保证平行度。CPC导轨采用了滚动导引，钢珠位于滑块和滑轨之间做滚动循环，使得负载平台在导轨上可轻松地、高精度地进行运动，滑块与滑轨间被设计成束制单元结构，这样的设计使CPC直线导轨就可同时承受各方向的负荷。同时机台装配时配合滚珠螺杆使用将会极大地改善设备运行精度与机械效能。与传统的滑动导引相较，滚动导引的摩擦系数可降低到原来的1/50，这样设备运行时摩擦力就会大大减少，由此产生的无效运动也相对会较少发生，定位精度就能轻易达到微米级进而保证了该设备运行的精度。

1.3 操作简化的特点

传统的3D打印机要想使用的操作步骤如图2所示。

但FDM 3D打印机的设计过程非常简单，省去了传统的建模过程，内置云端模型库可以直接使用已有的成品模型，这样简化了繁琐的建模过程，對于一些孩童或者没有建模基础的人来说3D打印也变得易于实现。

其次是切片环节，较传统切片方式其不需要输入切片程序，该产品嵌入了切片软件CURA，真正实现了一键打印。从建模到加工再到切片处理这些都可以直接完成。

2  微型FDM打印机设计

2.1 外壳部分设计

2.1.1 3D打印部分制作外壳

由于目标受众为儿童或者零建模基础人员，所以整体体积偏小，设计打印体积在120mm×100mm×100mm，外壳部分主结构采用3D打印制作，图3为外壳主结构设计图。

外壳为满足后期应力需求、精度要求以及使产品更轻量化，所以采用如下参数打印。

（1）0.2mm层厚满足装配精度要求的同时加快了打印周期。

（2）填充30%满足产品轻量化的同时节省了打印时间，又能保证应力需求。

（3）采用FastHoneycomb六边形内部填充图案，在30%填充的基础上锦上添花，使主结构更耐用、更可靠。整体打印路径如图4所示。

2.1.2  亚克力保护罩制作

为满足打印过程中的观赏性，所以采用透明亚克力来制作保护罩。中途使用了亚克力切割工艺、热折弯工艺、水刀切割工艺，如图5所示。

2.2 运动结构设计

参照产品设计图，将配件按顺序装配进保护壳内如图6所示。

2.3 硬件设计

桌面级FDM 3D打印机的硬件部分主要包括主控板、线材挤出部分、加热部分、传动部分等。

2.3.1 传动结构部分

该研究设计的3D打印机设计采用笛卡尔坐标模式，共有X、Y、Z这3个方向，每个方向上采用两根金属光杆并行的方式作为传动方式，这种传动方式使3D打印机在打印时运行速度快、定位精度高、运行平稳。

另外3D打印机电路部分在打印机中的主要作用是控制整个3D打印过程协调、有序、完整地运行。

2.3.2 送丝机部分

桌面级FDM 3D打印机通常有两种送丝方式：远端送丝与近端送丝。近端送丝方式是打印头的附近安装挤出装置，丝状打印材料被挤出机挤出后进入打印机喉管部分，喉管中的加热装置将其融化后开始打印。

远端送丝挤出装置安装的位置离打印机头较远，多数情况下会安装在打印机的框架上，丝状材料会通过送料管传送到3D打印机头，然后加热融化打印。

两种送丝方式中近端送丝由于靠近打印机打印头导致其重量较大，因此在打印时的产生的惯性也大，这样打印机在运行时会发生抖动从而影响3D打印的精度。而远端送丝不如近端送丝灵活，在制作一些模型需要3D打印机在送丝时有回抽的动作，这时远端送丝的方式制作出来的制件表面质量就会很差。在进行多次比较权衡下，根据我们选用的电机型号以及该打印机小巧的结构设计，在该设备中我们选择了近端送丝的方式。

2.3.3 打印头部分

目前3D打印机大多数采用加热棒来加热融化丝状材料，3D打印丝状材料在挤丝机的驱动下，进入打印头，在加热棒的加热下熔化后进入喷嘴，最后由喷嘴挤出进行打印。喷嘴堵塞是3D打印过程中最容易发生的故障之一，一般是由于加热棒加热温度不够时而挤出机仍在工作，或是由于风扇未开启风扇功率小导致散热不到位而造成丝状3D打印材料[2-5]还未进入喉管就已融化，喉管喷嘴部分堵塞，另外打印材料的纯度不高也会造成喷嘴堵塞现象的产生。

2.3.4 电机部分

运动力供给单元是通过电流的高低电频波形来精确驱动转动角度的电机，电流的高低电频波形是通过与运动力供给单元对应的驱动单元来提供的。根据项目要求，此次使用的运动力供给单元型号为42，长宽为42mm，具有两个相位，4条信号线控制，每一次高低电频波形驱动其转动1.8°，即200个高低电频使运动供给单元旋转360°。它的动力输出端是一个直径为5mm的合金轴，扭矩数值与型号对应，此项目需要5个42型运动力供给单元，分别分步在X轴一个，Y轴一个，Z轴两个，挤出轴一个。运动力供给单元的输出端配合同步橡胶带齿轮与同步橡胶皮带连接，可以根据数据计算出同步橡胶带移动1mm是所需要的高低电频波形的数值。可以通过公式进行运算：高低电频波形数=运动力供给单元输出端旋转360°所用的高低電频波形数目×驱动单元的细分数目÷同步橡胶带齿间距÷同步橡胶带齿轮上齿的数量[6]。

2.4 软件设计

2.4.1 下位机

集成控制单元根据项目要求选择使用乐积科技的LERDGE-K主控集成电路板，控制单元内烧录了开源的MARLIN固件，MARLIN固件为开源固件，所有信息端口开放，可以通过改变与打印机运动力供给单元对应的高低电频波形数与设备的运行规则进而控制打印机移动。主要应用的信息端口为高低电频波形输出端，运动限制端，温控PID自主适应端，数据信息屏显反馈端。

2.4.2 上位机

G-Code代码为一般三轴数控设备的通用语言格式，普通3D打印机也使用这种语言格式，Simplify3D对于G-Code代码生成，编译、传输的能力在民用FDM3D打印机上位机软件中非常出众。与之相同定位的软件还有Repetier-Host、Cura等。Simplify3D与之相比细节调整更为详细，代码传输失误率低，设备移动算法更为高效。综上Simplify3D使用较为方便快捷，故使用Simplify3D作为此项目的上位机。

2.5 电控系统搭建

参照产品电器设计图，将电子元器件按顺序安装，并测试使用性能，如图7所示。

2.6 测试并调试

对已组装完成的微型FDM 3D打印机进行打印测试。测试要求及目的如下。

（1）满程打印，对打印机机械结构可靠性进行验证。

（2）PCL材料打印，对打印机主打材料的打印参数进行测试。

（3）长时间打印，对打印机的稳定性进行验证。

最终将得出的测试数据反馈并对应出现的问题进行调整，以助于最终完善微型FDM 3D打印机。

参考文献

[1] 陈明.熔丝沉积快速成形的控制及软件系统的研究[D].华中科技大学，2004.

[2] 叶文俊，王全宝，胡映秋，等.梯形丝杠螺母副易磨损的原因分析和改进方法[J].制造技术与机床，2014（7）：95-97.

[3] 王影.滚珠丝杠传动系统的典型失效分析[J].精密制造与自动化，2008（4）：29-30.

[4] 卫炜，周来水，张丽艳.海量STL文件的快速读取与显示[J].机械科学与技术，2006，25（8）：935-938，975.

[5] 卢凯.基于FDM的3D打印分层处理技术研究[D].长春工业大学，2015.