Kossel三角洲结构3D打印机-final.doc

“安徽合力杯”安徽工程大学大学生机械、电子创新设计大赛Kossel三角洲结构3D打印机研 究 报 告申报单位： 安徽工程大学电气工程学院目录Kossel三角洲结构3D打印机1第1章 绪论31.1引言31.2国内外发展现状及研究31.3设计意义4第2章 模型切片软件SLIC3R52.1功能介绍52.2开发平台52.3路径算法52.4用户界面10第3章 打印参数及监管系统PRINTRUN143.1功能介绍143.2开发平台153.3用户界面15第4章 自动打印机194.1机械结构194.2控制器部分26第1章 绪论1.1引言3D 打印（3D printing，又称三维打印）是一 种 快 速成 形 技术，它 以 数 字化 模 型 为基 础，运 用粉 末 状 金 属 或 塑 料 等 可 粘合材料，通过逐层打印的方式构造物体。 由于其在制造工艺方面 的 创 新，被 认 为 是“第 三 次 工业 革 命 的 重 要 生 产 工 具”。3D 打印技术早在 20 世纪 90 年代中期就已出现1，但由于 价格昂贵，技术不成熟，早期并没有得到推广普及。 经过 20 多年的发展，该技术已更加娴熟、精确，且价格有所降低。 目前，3D 打印技术已经应用到许多学科领域，工程师和工业设计师利用 3D 打印将设计方案转换为原型并测试； 外科医生使用3D 打印制作器官模型以协助策划复杂的手术方案；考古学家和博物馆的技师利用 3D 打印制作珍贵文物的复制品，并在此基础上开展研究1，这样的创新应用正不断进入大众的视野。而本设计正式基于这样的考虑，致力于打造价格低廉，维护方便，使用简洁的桌面级3D打印机。3D打印机的体积小型化、桌面化，成本更低廉，操作更简便，更加适应分布化生产、设计与制造一体化的需求以及家庭日常应用的需求；软件集成化，实现 CAD/CAPP/RP的一体化，使设计软件和生产控制软件能够无缝对接，实现设计者直接联网控制的远程在线制造；拓展3D打印技术在生物医学、建筑、车辆、服装等更多行业领域的创造性应用。1.2国内外发展现状及研究1.2.1国际发展经过十多年的探索和发展，3D打印技术有了长 足的进步，目前已经能够在0.01mm的单层厚度上实 现600dpi的精细分辨率。目前国际上较先进的产品 可以实现每小时25mm厚度的垂直速率，并可实现24 位色彩的彩色打印。目前，在全球3D打印机行业，美国3D Systems 和Stratasys两家公司的产品占据了绝大多数市场 份额。此外，在此领域具有较强技术实力和特色的 企业/研发团队还有美国的FabHome和Shapeways、 英国的Reprap等。 3D Systems公司是全世界最大的快速成型设备 开发公司。于2011年11月收购了3D打印技术的最早发明者和最初专利拥有者Z Corporation公司之 后，3D Systems奠定了在3D打印领域的龙头地位。 Stratasys公司2010年与传统打印行业巨头惠普公 司签订了OEM合作协议，生产HP品牌的3D打印机。 继2011年5月收购Solidscape公司之后，Stratasys 又于2012年4月与以色列著名3D打印系统提供商 Objet宣布合并。当前，国际3D打印机制造业正处 于迅速的兼并与整合过程中，行业巨头正在加速 崛目前在欧美发达国家，3D打印技术已经初步形 成了成功的商用模式。如在消费电子业、航空业和 汽车制造业等领域，3D打印技术可以以较低的成 本、较高的效率生产小批量的定制部件，完成复杂 而精细的造型。另外，3D打印技术获得应用的领域 是个性化消费品产业。如纽约一家创意消费品公司 Quirky通过在线征集用户的设计方案，以3D打印技 术制成实物产品并通过电子市场销售，每年能够推 出60种创新产品，年收入达到100万美元。1.2.2国内发展自20世纪90年代以来，国内多所高校开展了3D 打印技术的自主研发。清华大学在现代成型学理 论、分层实体制造、FDM工艺等方面都有一定的科 研优势；华中科技大学在分层实体制造工艺方面 有优势，并已推出了HRP系列成型机和成型材料； 西安交通大学自主研制了三维打印机喷头，并开发 了光固化成型系统及相应成型材料，成型精度达到0.2mm；中国科技大学自行研制了八喷头组合喷射0.2mm；中国科技大学自行研制了八喷头组合喷射 装置，有望在微制造、光电器件领域得到应用。但 总体而言，国内3D打印技术研发水平与国外相比还 有较大差距。近年来，国内如深圳维示泰克、南京紫金立 德、北京殷华、江苏敦超等企业已实现了3D打印机 的整机生产和销售，这些企业共同的特点是由海外 归国团队建立，规模较小，产品技术与国外厂商同 类产品相比尚处于低端。目前，国产3D打印机在打 印精度、打印速度、打印尺寸和软件支持等方面还 难以满足商用的需求，技术水平有待进一步提升。 在服务领域，我国东部发达城市已普遍有企业应用 进口3D打印设备开展了商业化的快速成型服务，其 服务范围涉及到模具制作、样品制作、辅助设计、服务范围涉及到模具制作、样品制作、辅助设计、 文物复原等多个领域。与内地相比，我国港台地区 3D打印技术引入起步较早，应用更为广泛，但港台 主要着重于技术应用，而非自主研发。1.3设计意义目前在国际和国内3D打印机都在如火如荼的发展，但是现在桌面级的3D打印机的价格虽然有了一定的降低，但是仍不能满足一些普通个人的消费需求。而且现在市面上的桌面级3D打印机使用普遍存在打印设置复杂，需要专业的操作技巧，以及维护不便，在更换器件的时候需要进行整体拆卸。不适合一般家庭和个人的使用和维护，更不利于创造力的有力实现。本设计针对以上这些缺点，选用更加常用的材料和方法，使得打印机的价格由原来5000元左右降低到2000元。而且更换部件更加简单，不需要进行打印机的整体拆卸。这样就会减少维护的成本和时间，使创造力得到更好的发挥。1.4报告章节安排第1章 ：讲述了设计的背景，国内外的研究现象和设计意义。第二章：模型切片软件。第三章：打印参数控制及监管系统。第四章：自动打印机。第2章 模型切片软件SLIC3R2.1功能介绍Slic3r 是目前广为使用的转换软体，用来把stl 格式的3D 模型档案，转换成3D 印表机使用的G-code 档案。进行转换之前，有许多参数需要校正、调整，才能让3D 列印顺利进行。2.2开发平台Slic3r为了能够卡平台使用，使用了perl脚本语言开发。Perl 最初的设计者为拉里沃尔（Larry Wall），他于1987年12月18日发表。Perl借取了C、sed、awk、shell scripting以及很多其他程序语言的特性。其中最重要的特性是它内部集成了正则表达式的功能，以及巨大的第三方代码库CPAN。简而言之，Perl像C一样强大，像awk、sed等脚本描述语言一样方便，被称之为“一种拥有各种语言功能的梦幻脚本语言”、“Unix 中的王牌工具”。 Perl 一般被称为“实用报表提取语言”（Practical Extraction and Report Language），你也可能看到“perl”，所有的字母都是小写的。一般，“Perl”，有大写的 P，是指语言本身，而“perl”，小写的 p，是指程序运行的解释器。1987年Larry Wall发行Perl1.0以来，用户数一直急剧增加，同时越来越多的程序员与软件开发者（商）参与Perl的开发。从最初被当做一种跨平台环境中书写可移植工具的高级语言开始，Perl被广泛地认为是一种工业级的强大工具，可以在任何地方用来完成你的工作。perl的前身是Unix系统管理的一个工具，被用在无数的小任务里。后逐渐发展成为一种功能强大的程序设计语言，用作Web编程、数据库处理、XML处理以及系统管理；在完成这些工作时，同时仍能处理日常细小工作，这是它的设计初衷。Perl特别适合系统管理和Web编程。实际上已经被用在所有Unix(包括Linux)捆绑在一起作为标准部件发布，同时也用在Microsoft Windows和几乎其他所有操作系统。Perl的应用很广泛，依靠Perl工作更容易、更有效。2.3路径算法打印机的路径算法是评价一款切片软件好坏的重点，Slic3r支持多种路径算法。Infill pattern: Line (344.51mm / 5m:20s)Rectilinear（绕直线）填充：Infill pattern: Rectilinear (350.57mm / 5m:23s)Concentric（同心）填充：Infill pattern: Concentric (351.80mm / 5m:30s)Honeycomb（蜂窝）填充：Infill pattern: Honeycomb (362.73mm / 5m:39s)Hilbert Curve（希尔伯特曲线）填充：Infill pattern: Hilbert Curve (332.82mm / 5m:28s)Archimedean Chords（阿基米德和铉）填充：Infill pattern: Archimedean Chords (333.66mm / 5m:27s)Octagram Spiral(八角星螺旋)填充：Infill pattern: Octagram Spiral (318.63mm / 5m:15s)某些特定的模型更适合特定的填充模式，例如有机农业机械结构中的部件，下图所示。采用蜂窝填充模式更合适这个模型，因为它在每一层的图案对接着六角拷，这样可以形成很强大的垂直结构。左边蜂窝模式，右边直线模式 大多数模型只需要低密度的填充，50%就可以产生一个非常紧密的模型。还有10%和30%是常见的密度比例，这个要根据模型的需求来决定选用哪个密度最好。下图显示随着密度增加图案的变化。从左到右分别是20%，40%，60%，80%填充优化Infill every n layers(填充每n层) 将垂直填充跳过n层，产生稀疏。这样可以加快打印速度，缺失几层没有填充是可以接收的。Only infill where needed (智能填充) Slic3r将分析模型内部结构并选择支撑内部的天花板结构进行填充，用于减少打印时间和材料。Solid infill every n layers (每n层可靠填充) 强制在每n层做可靠填充，设置0表示禁止使用。Fill angle(填充角度) 默认填充使用45度角，这样可以给填充的模型最好的粘附力，同时可以抵抗来自相邻周边的压力。一些模型可能需要调整角度以确保最优的挤压方向。Solid infill threshold area (临界区域的可靠填充) 模型里面的小范围区域通常被完全填充以提供结构完整性。但是会花费更多的时间和耗材，调整这个选项来平衡这些需求。Only retract when crossing perimeters（在跨越周边时适当回缩） 回丝，防止溢出泄漏。但挤出头的运动还在边界里面是不必这样的。应该小心材料挤出过度而回缩不够导致耗材挤出过多对后面打印造成的影响。现代的3D打印机材料很少遇到如此极端的溢出泄漏问题了。Infill before perimeters(在打印周边之前打印填充) 颠倒顺序的打印，通常情况下是先打印周边再填充。Length (长度) 回缩的长度，单位mm。注意，测量的长度是取耗材进入挤出机的长度。通常建议使用1-2mm。Bowden挤出机可能需要4-5mm，因为有送料管。Lift Z (抬高Z轴) 在每个空程中抬高整个挤出机在Z轴上的距离。为确保打印丝不流出铺在模型上这个是有用的，但是通常是没有必要的，这样将会降低打印速度，这个只通常设置0.1mm就足够了。Speed(速度) 挤出机电机抽回打印丝的速度。这个速度应当设置为挤出机能够处理的最快速度。2.4用户界面2.4.1版权声明2.4.2整体界面切换到专家模式2.4.3参数设置3D列印机设定Bed size:工作平台的大小，这个设定只用来调整预览图的绘制。 Print center:工作平台的中央位置。 这个比较重要，一定要设对。 3D模型在工作平台上位置，会以这个点为中心。 Z offset: Z轴高度微调。 建议维持零就好。 Z轴的高度需要直接在印表机机构上做仔细的调校。 G-code flavor:控制板使用Marlin韧体的话，请选择RepRap Use relative E distances:如果控制板的挤出机，使用绝对位置的位置表示方法，请勾选这个项目。 Marlin 用户不要勾选。 Extruders: 挤出头数量Vibration limit:震动限制。 在某些列印行程中，挤出头会来回摆动。 当摆动频率过高，会产生震动，可能会造成机器严重摇晃， 甚至掉落到地面 。 如果发现机器有剧烈震动，可以考虑在这边限制挤出头来回摆动的频率。 2.4.4自定义G-code2.4.5挤出头设定Nozzle diameter:挤出孔直径。 (层高设定若大于挤出孔孔径，将会导致切片失败。Position(for multi-extruder printers)多挤出头需要设定挤出头离挤出机构中心位置的偏移距离。 Extruder offset:挤出头离挤出机构中心位置的偏移距离。 Retraction回抽。 当挤出头要结束一条线段的时候，要将塑料用相当的速度抽回，让挤出的塑料跟留在挤出头内的塑料断开，避免抽丝的现象。 Length:回抽的距离 Lift Z:抬高Z轴，帮助断料。 也可以减少挤出头移动时和工件碰撞的机会。 Speed:回抽的速度。 Extra length on restart:当重新进料的时候，挤出机会将抽回的塑料预先挤回。 但是有时候仍然没办法保证挤出头可以在新线段的一开头就正常挤出塑料。 Extra length 可以帮助校正挤出头，让他在线段的最开头就挤出塑料。 建议在发现无法及时出料的时候再回头校正这个参数。 过长的Extra length 会使线段的开头挤出过多的塑料。 Minimum travel after retraction:当上一个线段的结束点距离下一个线段的结束点，不到这个距离的时候，不会执行回抽。 建议用预设值就好。 Retraction on layer change:当结束一层的列印后，执行回抽。 建议开启。 Retraction when tool is disabled：当挤出机被关闭之前，进行回抽。 这个动作可以避免塑料在喉管内长时间停留，受到加热而膨胀，阻碍下一次工作的进行。 Length:回抽长度。 Extra length on restart: 回抽后再重新挤料时，理论上只要挤跟回抽相同的距离，塑料就应该被推回到回抽前的位置。 但是实际上塑料会有点来不及就定位，造成列印线段的最开头处没有塑料。 像下图中转角处塑料空缺的状况。 Extra length on restart会在重新挤料之前额外挤出一些塑料，填补这来不及定位的塑料空缺。 2.4.6Infill 内部填充Fill density:内部填充的密度，1是指完全填满，0是完全不填。 一般使用0.20.4。 Fill pattern: 内部填充的型态，有七种可供选择。 Top/bottom fill pattern: 顶面、底面填满时使用的型态。 有五种可以选择。 AdvancedInfill every n layers:每n层才做一次填充。 一般每一层都做填充，效果会比较好。 Only infill where needed:只填充顶面需要支架的区域。 Solid infill every n layers:内部填充，每n层就做一层完全填满。 可以增加强度，但非必要。 Fill angel:填充图型旋转的角度。 Solid infill threshold area:当切面面积小于这个值的时候，强迫以全满的方式进行填充。 Only retract when crossing perimeters:当填充的线段需要跨过模型周围时，才进行回抽。 Infill before perimeters:每一层，先进行填充，再画外缘。 第3章 打印参数及监管系统PRINTRUN3.1功能介绍Printrun是一款G-code打印控制工具合集，它包括3个组件，其中printcore是G-code发送控制核心，pronsole是命令行界面下的控制程序，pronterface是图形界面的控制程序。Printrun能够将解析到的G-code的代码发送到自动打印平台上，并且能够控制打印机效应器的移动速度，以及挤出机的抽丝速度，同时能够调控挤出头的温度和加热盘的温度，通过对这些参数的调节能够使打印达到更好的表面平滑度和精度。3.2开发平台同样为了达到多平台和重用性的目的，该软件使用了python语言以及python-Qt组件开发。Python（英国发音：/pan/ 美国发音：/pan/），是一种面向对象、直译式的电脑编程语言，具有近二十年的发展历史。它包含了一组功能完备的标准库，能够轻松完成很多常见的任务。它的语法简单，与其它大多数程序设计语言使用大括号不一样，它使用缩进来定义语句块。与Scheme、Ruby、Perl、Tcl等动态语言一样，Python具备垃圾回收功能，能够自动管理内存使用。它经常被当作脚本语言用于处理系统管理任务和网络程序编写，然而它也非常适合完成各种高级任务。Python虚拟机本身几乎可以在所有的作业系统中运行。使用一些诸如py2exe、PyPy、PyInstaller之类的工具可以将Python源代码转换成可以脱离Python解释器运行的程序。Python的官方解释器是CPython，该解释器用C语言编写，是一个由社区驱动的自由软件，目前由Python软件基金会管理。Python支持命令式程序设计、面向对象程序设计、函数式编程、面向侧面的程序设计、泛型编程多种编程范式。Python本身包含的Tkinter库能够支持简单的GUI开发。但是越来越多的Python程序员选择wxPython或者PyQt等GUI包来开发跨平台的桌面软件。使用它们开发的桌面软件运行速度快，与用户的桌面环境相契合。通过PyInstaller还能将程序发布为独立的安装程序包。本软件就是采用PyQt的GUI包来进行界面化开发。PyQt是Python语言的GUI编程解决方案之一。可以用来代替Python内置的Tkinter。其它替代者还有PyGTK、wxPython等。与Qt一样，PyQt是一个自由软件。PyQt是PyKDE的基础。PyQt的开发者是英国的“Riverbank Computing”公司。与4.5版本之前的Qt一样，它提供了GPL与商业协议两种授权方式，因此它可以免费地用于自由软件的开发。不过目前尚不提供LGPL授权方式。PyQt可以运行于Microsoft Windows、Mac OS X、Linux以及Unix的多数变种上。2009年8月，Qt的开发公司诺基亚发布PySide，提供与PyQt类似的功能，但提供了LGPL授权。主要原因是“Riverbank Computing”不愿以LGPL授权发布PyQt。2自4.5版本以后3，PyQt同时支持Python 2.x与Python 3.x。但是在API方面有所区别，最主要的是运行在Python 3.x下的PyQt不使用QString，而是str。另外，之前为了避开Python 2.x关键词限制的exec_()、print_()两个函数现在重命名为exec()，print()。3.3用户界面3.3.1整体界面1菜单栏4电机设置7挤出机控制10自定义快捷键2串口设置5控制盘8温度监视区11实时信息显示窗口3快捷键6温度设置9当前打印模型区12命令输入窗口1菜单栏File中的菜单：Open：打开G-code文件；RecentFile:Clearconsole:Exit：退出。Tools菜单：Edit：编辑已导入的G-code文件的代码。Plater：G-CodePlater：Excluder：Projector：M.MM1Setting中的菜单：Macros：一些代码的设置。Options：M.MM2SlicingSetting：点击会打开一个Slice3r软件，我们一般用单独的Slice3r；DebugG-code：调试G-code。2串口设置：Port：设置端口，USB连接打印机之后，鼠标左键点击Port按钮即可自动寻找到现有的端口；再往右边的是波特率的选择，reprap打印机使用115200；Connect：完成Port的设置，点击此按钮，即可成功连接打印机；3快捷键Reset：重置打印机；LoadFile：将G-code文件导入，上图便是导入后的界面（图10种黑色是实体）；SD：选择OrmerodSD卡中的文件，一般是进行测试；Print：设置完成后，点击此按钮即可开始打印；Pause：暂停；Recover：从Pause中恢复；4电机设置从左到右分别是“关闭电机”、“X、Y轴移动速度”、“Z轴移动速度”。“关闭电机”按钮：可以解除电机锁定，默认情况下XYZ轴在不移动时步进电机处于锁定状态，即外力不可以随意移动各轴。“X、Y轴移动速度”输入框：可以设置在下方操作盘中控制XY轴时的移动速度。“Z轴移动速度”输入框：可以设置在下方操作盘中控制Z轴时的移动速度。5控制盘控制XYZ三轴向的前进、后退，移动距离分为：0.1、10、100mm；控制盘四个角上“小房子”的标志，分别指回到X轴、Y轴、Z轴、XYZ轴的原点；6温度设置设定打印机“喷头”和“热床”的温度，“set”是设定温度；“off”是关闭加热。7挤出机控制设定打印材料挤入喷头和回抽的长度和速度。（注：只有当挤出机温度达到最低挤出温度时该命令才会执行，默认最低180）8温度监视区选中“watch”后单击“chectemp”按钮开始实时显示的热床和喷头的温度。9当前打印模型区实时显示当前打印模型的轨迹，单击此区域，用滚轮查看每一层的轨迹。10自定义快捷键可以将常用命令设置成快捷按键。11实时信息显示窗口实时显示打印机状态信息及操作命令回执信息。12命令输入窗口控制打印机的G-coder代码输入框，可完成所有打印机的控制操作。第4章 自动打印机自动打印机是整个打印系统中的主体，负责将打印材料成形为要打印的物品，同时也是整个打印系统中复杂度最高，难度最大的部分。整个自动打印机可以分为，机械部分，传动部分，和控制部分。其中机械结构，承担了整体的外形，以及稳定性的要素。传动部分，负责将步进电机产生的步长，转化为效应器的移动和打印熔丝的挤出。电路不同对打印的温度和步进电机的步长进行控制，以实现打印过程的自动化。4.1机械结构下面四张图片中分别展示了3D打印机的整体机械结构。其中图1为主视图，图2为俯视图，图3为左视图，图4为立体全图。下面根据如下三张图介绍kossel打印机的机械结构。1）kossel结构的主体是由13根国标2020铝合金组成，尺寸是24cmX9根；60cmX3根。其中脚架连接结构为3D打印机使用PLA材料打印。其中角连接架如图所示。2）角连接器：共需要9件，用于国标2020铝合金的连接。3）终点触发器和轻触开关，用来判断滑车是否移动到终点位置。4）安装上齿轮的角连接器。上图为顶点连接。5） 滑车部分，由两个模块组成，其中1为背部连接块用来限定在导轨上的运动。2为滑车连接件用来接连皮带和连接杆。其中左右两个堆成的凹槽是用来安放强磁磁体。6）效应器：打印机的移动部分，其中安放有挤出头和风扇，用来进行温度的调控和熔丝的挤出和成形。7） 皮带的安装，由图中能够看到步进电机和滑块的连接方式。8） 效应器的连接方式。4.2控制器部分4.2.1温度控制回路（1） 打印耗材的选用为了实现 3D 打印机的功能，所选材料也很重要。既要由较低的熔点，也要有较好的粘滞性，同时也需要快速成型。综合考虑，我们最终选择了 PLA/ABS 耗材。PLA ：聚乳酸（H-OCHCH3COn-OH）的热稳定性好，加工温度 170 230，有好的抗溶剂性，可用多种方式进行加工，如挤压、纺丝、双轴拉伸， 注射吹塑。由聚乳酸制成的产品除能生物降解外，生物相容性、光泽度、透明性、手感和耐热性好，光华伟业开发的聚乳酸（PLA）还具有一定的抗菌性、阻燃性 和抗紫外性，因此用途十分广泛，可用作包装材料、纤维和非织造物等，目前主要用于服装（内衣、外衣