FDM技术下的3D打印机机械结构和控制系统设计探讨

摘要：本文研究FDM技术支持下的3D打印机设计策略。使用步进控制精度在0.002mm的丝杠滑块+步进电机的核心坐标控制系统，使用分别使用1组丝杠控制X轴和Y轴的定位，使用2组丝杠控制Z轴的定位，使用3组FDM挤出系统控制彩色打印过程，在探讨了坐标控制算法和冷却成型算法后，本文设计了一种包含7个执行机构且有LED综合状态显示功能的3D打印机机械结构和控制系统。本文认为，通过对算法进行革新，提升对步进电机的控制策略，增加驱动程序可识别的3D模型文件种类，对FDM材料的成型过程进行进一步优化控制，是未来FDM技术支持下的3D打印机重点发展方向。

关键词：FDM;3D彩色打印;机械结构;控制系统

中图分类号：TP334.8   文献标识码：A   文章编号：1672-9129（2020）16-0049-01

1 引言

FDM技术是当前最为常用的中低端3D打印机技术，也是最接近桌面端应用需求的3D打印机技术。通过将熔融的聚合物挤出并可控冷却，在沉积底盘上实现可控堆积，从而构建出打印精度达到±0.3mm且工件尺寸超过100mm的桌面级3D打印机系统，这一系统已经被诸多厂商实现了中低端产品转化。大部分基于FDM技术的3D打印机在工件成型时保留大约0.3mm的加工余量，工件打印成型后，再进行后续的打磨加工或者局部热塑加工，使其精度进一步提升。

2 FDM技术下的3D打印机机械结构设计

2.1 3D打印机机械结构设计。FDM技术下的3D打印机机械结构设计主要是在2-4个定位杆的定位支持下，确保丝杆转动驱动滑块沿定位杆移动，最终将动作机构定位到目标位置。而步进电机与减速机的配合，可以确保丝杠的转动速度和转动给进量可以得到程序有效控制。当前大部分高精密加工机械，依然沿用了这一控制模式[5]。这一控制模式下，加大丝杠攻丝密度，可以让丝杠转动固定角度时，滑块的位移量最小，而压缩步进电机每步转动时带动丝杠转动的角度，可以进一步缩小步进电机每步操作的滑块位移量。对于滑块位移量S，可以有以下公式进行控制：

Smin=Q10·2πPmm（1）

其中：

Q为丝杠上每厘米的丝数;

P为经过减速机减速后步进电机每步进1步丝杠转过的角度（弧度制）;

当每厘米拥有40丝且步进电机模数为32且减速比为0.25时，步进电机每动作1步，滑块的位移量0.002mm，对当前系统目标精度达到±0.3mm的工程需求已经可以达到积极意义。

在高精密切削系统中，含数控车床、数控铣床、数控磨床等，其丝杠控制过程一般需要对滑块位置进行定位测量，但本文系统无需进行该测量过程，只需要在滑块遇到行走极限时，对步进电机计数进行一次确认（Check），即在实际打印过程开始之前，使用步进电机控制滑块贴近近端行走极限，此时将步进积累值定位为L0，再将滑块贴近远端行走极限，此时将步进积累值定位为LN，随后将滑块重新贴近近端行走极限后，开始执行打印策略[6]。

2.2 FDM彩色打印的挤出头机械结构坐标设计。如果三个FDM挤出头的Z轴高度保持一致且确保足够的安装精度，那么以FDM1坐标（X，Y）为控制中心，则三个FDM挤出头的坐标位置如下：

FDM1=X，YFDM2=X-ΔX1，Y+ΔYFDM3=X+ΔX2，Y+ΔY（2）

在实际打印过程中，依照公式（2）对三种打印材质进行坐标转换，在最高0.002mm的控制精度下，可以实现高精度的彩色打印。而实际打印执行过程中，一般使用FDM1挤出合成低熔点的树脂材料作为填充骨料对打印材料进行支撑，而使用其他挤出头挤出模型成型材料。打印完成收，使用水浴加热将打印工件进行加热，使其温度超过填充骨料熔点，且低于模型成型材料熔点，使打印填充骨料充分融化，最终得到更高精度的模型。此模式可用作陶瓷模具、精密铸造模具等复杂模型成型场景。

3 FDM打印机的机械结构的控制系统实现

当前最常见的门式3D打印机架构，其Y轴控制通过沿Y轴移动温控基板的方式实现控制过程，X轴控制通过沿X轴移动FDM挤出头的方式控制过程，此二者均可以采用单丝杠的控制模式进行控制，但Z轴的控制一般采用双丝杠通过升降FDM挤出头行走导轨的方式采用双机配合控制。假定丝杠的加工工艺可以保证在实际160-220mm的Z轴控制区域内保持一致性，且近端行走极限限位装置和远端行走极限限位装置的安装精度，也可保障Z轴的行走范围内的丝数相等，即其安装精度可以控制在0.25mm以内，那么对于2个Z轴控制丝杠来说，其区间内的丝杠丝数完全一致。即Z1=Z2。

但是，即便在设备出厂时，2个Z轴控制丝杠可以安装成Z1=Z2的状态，但设备运行过程中的震动、热形变效应、系统蠕变等，都可能导致2个Z轴控制丝杠出现1mm以内的形变，本文采用每厘米40丝的控制丝杠，此时可能导致以下形变：

ΔZ=MAXZ1，Z2-MINZ1，Z2≈4（3）

所以，在实际控制中，应当从MAXZ1，Z2中舍弃部分丝数，使其与MINZ1，Z2相等，即在系统中构建一个虚拟行走极限空间，用于确保两个Z轴控制丝杠的同步性。即在系统开机自检过程中，当Z1与Z2中一个滑块率先达到行走极限时，该行走极限被标定为两个滑块共同行走极限。

4 总结

本文设计了一种丝杠控制精度在0.002mm，最终模型精度在0.3mm的，基于FDM挤出式打印头的3D打印机控制系统。系统使用一个ARM-31开发板执行中央控制，在桌面端驱动程序的有限元分解算法支持下，实现高精度的3D打印。当前，基于FDM的3D打印机技术已經趋近完善，通过对算法进行革新，提升对步进电机的控制策略，增加驱动程序可识别的3D模型文件种类，对FDM材料的成型过程进行进一步优化控制，是未来FDM技术支持下的3D打印机重点发展方向。

参考文献：

[1]李子秋，甘新基，宋桂阳，王志豪，胡玉鹏.基于FDM彩色3D打印自适应控制系统的设计[J].组合机床与自动化加工技术，2020（05）：109-112.

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[3]任秀芬.基于3D打印的汽车主模型尾灯模块的制造[J].锻压技术，2020，45（04）：134-139.

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[5]赵亚平，赵敏，姚猛，翁芸娴，朱俊.FDM型3D打印机的功能改进升级研究[J].中国设备工程，2020（13）：99-100.

[6]张春蕊，鞠锦勇.不同填充率下FDM 3D打印预制件建模及力学性能分析[J].中国塑料，2020，34（06）：66-72.

作者简介：谢添（身份证号421302********219），1999，男，汉族，湖北随州，本科，学生，机械电子工程