3D打印装备设计

李雪锋，曹东级，高善平

（泉州信息工程学院机械与电气工程学院，福建泉州 362000）

0 引言

3D 打印技术在国内外备受广泛关注与重视，该技术是快速成型的一种技术，又称为增材制造，主要依托三维建模技术，机电控制技技术、信息技术、材料科学与化学技术等多学科的前沿技术，被认为是第三次工业革命最具标志性的生产工具[1]。由于3D 打印技术在制造过程无需事先制造模具，而且也没有必要通过复杂的锻造工艺就可得到最终产品，其在复杂构件、新产品开发，比传统加工方式具有更多优势，因此适用于开发、设计与制造形状复杂的零件[2]。

1 3D 打印种类及工艺

1.1 3D 打印工艺种类

光固化立体成型、分层实体制造、选择性激光烧结成型、熔融沉积成型、三维打印技术是目前3D 打印技术比较成熟的五种工艺[3]。FDM（Fused Deposition Modelling，熔融沉积成型）工艺因其成本低、成型简单，具有广泛的应用领域，课题围绕FDM工艺为出发点展开研究。

1.2 FDM 快速成型工艺特点

低熔点材料是FDM 工艺的加工材料，一般加工过程通过供料辊将丝状材料送到喷头的内腔加热。不同的材料其加热熔融温度有所不同，本课题选择ABS（Acrylonitrile Butadiene Styrene，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物）或者PLA（Polylactic Acid，生物降解塑料聚乳酸）打印材料展开研究设计，其加热熔融温度为240 ℃。

1.3 FDM 快速成型工艺存在问题

目前市场上引进的3D 打印设备价格昂贵，设备维护成本较高，难以被广泛使用；而且国内3D 打印设备加工成型速度慢、不适合构建大型零件、成型过程中喷头较易堵塞、成型后产品强度不够，不利于装配。此外，国内基于FDM 技术的3D打印装备还基本停留在桌面级的生产层面上，大尺寸、高精度、高效率的FDM 工业级3D 打印装备尚未较好地融入到工业生产中。

针对以上问题，课题主要致力于工业级别大成型尺寸3D打印机的研究及开发，主要面向工业领域，应用于大型零件、产品模型、艺术品的制作。

2 基于FDM 工艺的技术原理

打印材料、打印装备设计及信息技术是影响3D 打印技术发展三大主要因素。由于3D 打印成型容易产生强度不够、表面质量差、翘曲窜动及扭曲错位等缺陷，一直制约和影响3D打印技术的发展，而3D 打印设备的研发与设计是3D 打印技术的关键技术，它对3D 打印成品的质量与精度有着很大影响作用。课题围绕FDM 快速成型能满足工业生产性能要求的技术特性，如抗拉、抗弯、延展性及精度等，设计大尺寸、长时间、高精度、低成本的3D 打印装备，为工业化3D 打印机的进一步研制提供参考。

3 3D 打印装备设计

课题3D 打印装备主要包括热熔喷头、挤出机构、热床、步进电动机、直线导轨及支架，如图1 所示。

图1 3D 打印装备结构设计

整机采用工字型结构，该结构具有较好的稳定性，能够解决目前国内大多桌面型3D 打印机无法超长时间工作的缺陷。采用限位开关控制运动机构的行程范围，其打印行程为750 mm×750 mm×800 mm。3D 打印机采用步进电机加丝杠的传动方式，可以大大提高3D 打印机的工作状态。3D 打印机整个工作过程：首先将热床加热到70 ℃，将热熔喷头温度加热至240 ℃或210 ℃，在该温度下能够使ABS 或PLA 材料熔融时具有一定的流动性与较好的打印精度，随后挤出机构按照设定的成型速度挤压送丝，同时传动组按照程序设定的路径进行X、Y 轴二维扫描。当扫描完一层后，向Z 轴方向上移一层，随后热熔喷头再进行下一层的运动，新固化的一层会牢固地粘在前一层上，如此重复直到整个零件制造完毕，得到一个三维实体模型，整个打印过程热熔喷头和热床温度保持恒定。

3.1 热熔喷头

制约FDM 成型技术的关键因素是热熔喷头的设计，热熔喷头的技术关键是喷嘴口径的设计，其任务是控制加热过程与内部温度，如果喷头的加热温度偏高会出现材料过热，产生延流及碳化现象；如果其加热温度偏低，则无法完全热熔材料，而影响打印效果。

热熔喷头采用锥型螺杆喷头，包括送料机构、加热管、喷嘴与风扇4 个部分，其中加热管做成薄壁，目的是方便散热，通过控制风扇的风量与加热管的温度，保持喷头温度恒定。锥型螺杆喷头不仅结构简单、控制方便，而且该类型的喷头能够提高挤出材料的速度与流量的均匀性，提高快速制件的尺寸精度。

常见的3D 打印装备喷嘴直径有0.15 mm、0.25 mm、0.4 mm、0.6 mm 等规格，课题针对ABS 或PLA 两种材料，做了测试，假如将喷嘴口径设置为0.6 mm，虽然送丝速度较快，但是影响其成型性能；将喷嘴直径设置为0.15 mm、0.25 mm，虽能提高其成型性能，但是送丝速度太慢，影响其打印效率，课题组综合打印速度、打印精度及表面成型质量将打印机喷嘴口径设置为0.4 mm。

3.2 挤出机构

课题设计的工业级大成型尺寸3D 打印机，采用近程挤出，将挤出结构安装在喷头后面。近程挤出对送料量的控制比远程挤出更准确，而且对挤出步进电机的力矩要求相对低些。FDM技术的挤出机构主要任务是在成型过程中，通过步进电机直接带动滚齿使熔融的材料能够不断从喷嘴挤出，保证原始状态的材料能够匀速、可靠地进入喷头。挤丝驱动结构采用步进电机带动滚齿对材料驱动，材料被驱动进入喷头时对受热熔融材料产生一定压强，让熔融丝材以稳定的速度挤出。

3.3 热床

热床温度是零件成型时，从喷头挤出丝材时所处的工作室温度。它是成型零件的热应力大小和表面精度质量高低的重要影响因素，而喷头温度和热床温度是相互影响的，必须控制在一定的合理范围内。课题针对ABS 和PLA 两种材料的特点，将热床温度设置为70 ℃，喷头最高加热温度为240 ℃。

3.4 设备运动控制

FDM 设备运动控制系统包括喷头的X、Y轴运动控制和工作台Z 轴运动控制两个部件的运动控制。其中，X、Y 轴带动喷头在二维平面上扫描出路径，Z 轴实现工作台从二维到三维的转变。课题3D 驱动固件采用MKS 控制主板，通过主板控制器来实施位置控制、速度控制以及热床、喷头温度的控制等任务。其接口连接如下：直插式驱动接A49988 步进电机驱动器，E0 电机接送料挤出电机，挤出头热敏用于连接挤出头温度传感器，加热棒接喷头加热管。

3.5 人机交互

目前，国内外3D 打印装备较少设有人机交互、智能识别与反馈，虽然设备中的各子任务能够做到闭环控制，但是大多数3D 打印装备的整体控制系统尚未做好较好的闭环控制，目前每一种模型的成型不得不依靠人工总结数据并进行大量的实验来实现。假如成型过程中出现打印异常或比较小的打印错误时，由于设备的整个控制系统尚未实现智能识别，不能及时调整并解决问题，其后续打印成型过程误差越来越大，因此在打印成型过程中，必须有经验丰富的专业人员随时观察成型状态。另外，目前大部分的3D 打印机还没有掉电记忆功能，当打印时突然断电将无法进行续打，这样会造成大量时间、材料上的浪费。课题通过主板控制器上安装电源监控模块，利用TFT 上连接的触摸屏可以边打印边读打印过程信息，若是突然断电，触摸屏只读到断电那刻内容，当重新上电时，可继续往前打印，实现停电记忆功能。

针对以上问题，课题设计基于人机交互的控制系统，包括3D 打印机、视频监控、无线网络、RS485 通信、总控制器、触摸屏及LCD 显示屏等用户终端。3D 打印机、视频监控设备的摄像头和无线网络设备利用RS485 与总控制器连接，总控制器借用网络连接与用户设备建立连接，与用户的手机建立联系，用户通过手机实时查收监控视频和数据，并对总控制器下达命令，从而实现整机的闭环控制。

4 结束语

课题设计的3D 打印装备能够实现超长时间稳定工作和实时监控打印，由于采用步进电机传送机构，使整机成本大大降低，采用实时监控3D 打印过程，大大提高成型速度、表面成型质量及成型精度。通过人机界面交互，操作简单，用户无需培训即可使用。

3D 打印控制系统中被控量与控制量之间是相互关联的，其工作过程只要有一个控制量的变化就会同时引起几个被控量变化。这种变化相互影响，称为耦合。其耦合的存在会使整个过程控制系统变得更复杂化。如FDM 成型技术过程参数有温度、压力、送丝速度等，这些参数都是相互关联，相互影响。目前本台机子尚未实现这方面的解耦控制。