微型FDM型3D打印机的研制毕业设计论文.doc

1 毕业设计 论文 毕业设计 论文 设计 论文 题目 微型设计 论文 题目 微型 FDMFDM 型型 3D3D 打印机的研制打印机的研制 2 毕业设计 论文 原创性声明和使用授权说明毕业设计 论文 原创性声明和使用授权说明 原创性声明原创性声明 本人郑重承诺 所呈交的毕业设计 论文 是我个人在指导教 师的指导下进行的研究工作及取得的成果 尽我所知 除文中特别 加以标注和致谢的地方外 不包含其他人或组织已经发表或公布过 的研究成果 也不包含我为获得 及其它教育机构的学位 或学历而使用过的材料 对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人 或集体 均已在文中作了明确的说明并表示了谢意 作 者 签 名 日 期 指导教师签名 日 期 使用授权说明使用授权说明 本人完全了解 大学关于收集 保存 使用毕业设计 论 文 的规定 即 按照学校要求提交毕业设计 论文 的印刷本和 电子版本 学校有权保存毕业设计 论文 的印刷本和电子版 并 提供目录检索与阅览服务 学校可以采用影印 缩印 数字化或其 它复制手段保存论文 在不以赢利为目的前提下 学校可以公布论 文的部分或全部内容 作者签名 日 期 3 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行 研究所取得的研究成果 除了文中特别加以标注引用的内容外 本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品 对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担 作者签名 日期 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借阅 本人授权 大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 涉密论文按学校规定处理 作者签名 日期 年 月 日 导师签名 日期 年 月 日 4 注 意 事 项 1 设计 论文 的内容包括 1 封面 按教务处制定的标准封面格式制作 2 原创性声明 3 中文摘要 300 字左右 关键词 4 外文摘要 关键词 5 目次页 附件不统一编入 6 论文主体部分 引言 或绪论 正文 结论 7 参考文献 8 致谢 9 附录 对论文支持必要时 2 论文字数要求 理工类设计 论文 正文字数不少于 1 万字 不包括图纸 程序清单等 文科类论文正文字数不少于 1 2 万字 3 附件包括 任务书 开题报告 外文译文 译文原文 复印件 4 文字 图表要求 1 文字通顺 语言流畅 书写字迹工整 打印字体及大小符合要求 无错别字 不准 请他人代写 2 工程设计类题目的图纸 要求部分用尺规绘制 部分用计算机绘制 所有图纸应符 合国家技术标准规范 图表整洁 布局合理 文字注释必须使用工程字书写 不准用 徒手画 3 毕业论文须用 A4 单面打印 论文 50 页以上的双面打印 4 图表应绘制于无格子的页面上 5 软件工程类课题应有程序清单 并提供电子文档 5 装订顺序 1 设计 论文 2 附件 按照任务书 开题报告 外文译文 译文原文 复印件 次序装订 5 摘要摘要 FDM 快速成型技术 是 3D 打印技术的一种 它利用热塑性材料受到挤 压成为半熔融状态的细丝 将熔融状态的细丝采用层层堆栈的方式 从 3D CAD 资料直接建构原型的技术 微型 FDM 型 3D 打印机是在 FDM 技 术的理论基础上 研制成的一种桌面级的3D 打印机 它为 特种加工 课程提供教学用具 本文在综合介绍FDM 型 3D 打印机基本内容的基础上 重点介绍了打印原理及打印机的结构 并对其结构进行了详细的分析 自制 FDM 型 3D 打印机遵循了 3D 打印机开源的设计理念 同时让设计者在动手 实践中不断修改并优化设计方案 满足自身创新与创意的需要 关键词 关键词 FDM 技术 快速成型 3D 打印机 特种加工 开源 6 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 7 目目 录录 第第 1 1 章章 前言前言 4 1 1 课题的背景和意义 4 1 2 FDM 型 3D 打印机的国内外发展状况 4 1 3 本课题主要设计内容 5 第第 2 2 章章 FDMFDM 型型 3D3D 打印机打印原理及结构分析打印机打印原理及结构分析 6 2 1 打印原理 6 2 2 结构分析 6 2 2 1 机械部分 6 2 2 2 电路部分 9 2 2 3 软件部分 11 第第 3 3 章章 主要零部件选择 电路测试过程主要零部件选择 电路测试过程 16 3 1 主要零部件选择 16 3 1 1 电机的选择 16 3 1 2 挤出头的选择 17 3 1 3 送丝机构的选择 17 3 1 4 打印材料的选择 18 3 2 电路测试过程 18 3 2 1 测试准备 18 3 2 2 连接电路板及测试电路 19 第第 4 4 章章 打印机的组装及打印运行打印机的组装及打印运行 20 4 1 打印机的组装 20 4 2 打印运行 21 结论结论 22 谢辞谢辞 23 参考文献参考文献 24 8 第第 1 章章 前言前言 1 1 1 1 课课题题的的背背景景和和意意义义 3D 打印机 3D Printers 是一位名为恩里科 迪尼 Enrico Dini 的 发明家设计的一种不同于普通打印机的机器 它是一种以数字模型文件为 基础 运用粉末状金属或塑料等可粘合 材料 通过逐层 打印的方式来构造 物体的技术 3D 打印机与普通打印机工作原理基本相同 只是打印材料不 同 普通打印机的打印材料是墨水和纸张 而3D 打印机内装有 金属 陶 瓷 塑料 砂等不同的 打印材料 是实实在在的原材料 打印机与电脑 连接后 通过电脑控制可以把 打印材料 一层层叠加起来 最终把计算 机上的蓝图变成实物 3D 打印带来了世界性制造业革命 以前是部件设计完全依赖于生产工艺 能否实现 而 3D 打印机的出现 将会颠覆这一生产思路 这使得企业在生 产部件的时候不再考虑生产工艺问题 任何复杂形状的设计均可以通过 3D 打印机来实现 它无需机械加工或模具 就能直接从计算机图形数据中 生成任何形状的物体 从而极大地所缩短了产品的生产周期 提高了生产 率 FDM 技术利用热塑性材料受到挤压成为半熔融状态的细丝 由沉积在层 层堆栈基础上的方式 从 3D CAD 资料直接建构原型 FDM 技术的优势在 于机械结构简单 设计容易 制造 成本 维护成本和材料成本低 对环境 无污染 因此 FDM 也是在家用的桌面级 3D 打印机中使用得最多的技术 自制微型 FDM 型 3D 打印机 能够为 特种加工 课程在课堂上提供教学 用具 为老师在课堂授课提供方便 也能使学生对FDM 型 3D 打印机的了 解更加深入 1 1 2 2 F FD DM M 型型 3 3D D 打打印印机机的的国国内内外外发发展展状状况况 国外占据 3D 打印产业主导地位的美国 3D systems stratasys 等公司 每年都投入 1000 多万美元研发新技术 研发投入占销售收入的10 左右 两家公司不仅研发设备 材料和软件 而且以签约开发 直接购买等方式 获得大量来自企业外部的相关细分技术 专利 已掌握一批关键核心技术 目前 世界主要发达国家纷纷开始布局 陆续出台了相关政策和投资发展计 划 大力发展 3D 打印产业 旨在占领新工业革命的前沿阵地 一方面 美 国总统奥巴马在 国情咨文 中多次提及 3D 打印 并筹划建立 3D 打印国 家创新中心 旨在提升美国制造业的竞争力 另一方面 从欧美各国最新的 太空探索计划中 也可以看到对 3D 打印技术相关项目的巨额资助 9 国内部分企业对 FDM 型 3D 打印机对外国的设计方案进行改进 不断 完善 3D 打印机 如闪铸公司基于 Makerbot 机型开发的产品 Creater 它改 进了挤出头中喉管的制作工艺 使耗材融化后能够顺利的流动 且凝固后不 易沉积 挤出头全新的挤出组件使塑料丝不易打滑 送丝精确 但是 国内 企业购置 3D 打印设备的数量非常有限 应用范围狭窄 在机械 材料 信 息技术等工程学科的教学课程体系中 缺乏与3D 打印相关的必修环节 3D 打印停留在部分学生的课外兴趣研究层面 综合来看 自制微型FDM 型 3D 打印机对促进老师课堂教学以及学生对3D 打印机的深入了解具有十 分重要的意义 1 1 3 3 本本课课题题主主要要设设计计内内容容 根据收集的 FDM 型 3D 打印机的相关资料 了解 3D 打印机结构的具 体组成 包括机械部分 电路部分及软件部分 机械部分学习了解步进电机 的驱动与控制 机床的结构 重点研究打印头的结构 以及影响打印头打印 精度的因素 并将整理好的零部件组装 制作出一台完整的FDM 型 3D 打 印机实物 电路部分需要了解相关电路板的知识 并在网上购买电路板 组 装电路板 软件部分包括上位机软件和下位机软件 上位机软件 即运行 在电脑上的软件 分为 2 大部分 切片和控制 下位机软件 即运行在 3D 打印机主板上的软件 主要做电机控制 软件算法和通信 在 3D 打印 机中为 Marlin 固件 本课题组共两人 作者主要负责对FDM 型 3D 打印机的研制 10 第第 2 章章 FDM 型型 3D 打印机打印原理及结构分析打印机打印原理及结构分析 2 2 1 1 打打印印原原理理 FDM Fused Deposition Modeling 熔融沉积成型 工艺 是目前比较成 熟的快速成型工艺中的一种技术 它是 继 LOM 分成物体制造 工艺和 SLA 激光快速成型 工艺之后发展起来的一种 3D 打印技术 FDM 工艺 的基本原理为 FDM INSIGHT 软件自动将 3D 数模 由 CATIA 或 UG PRO E 等三维设计软件得到 分层 自动生成每层的模型成型路径和 必要的支撑路径 热融头将丝状热熔性材料加热融化 通过带有一个微细喷 嘴的喷头挤喷出来 由于成型室保持 一定的温度 该温度下熔融的材料既 可以有一定的流动性又能保证很好的精度 一层成型完成后 机器工作台下 降一个高度 即分层厚度 再成型下一层 如此直到工件完成 FDM 快速成型技术利用热塑性材料受到挤压成为半熔融状态的细丝 由沉积在层层堆栈基础上的方式 从3D CAD 资料直接建构原型 FDM 可 采用的成型材料很多 如改性后的石蜡 丙烯腈 丁二烯 苯乙烯 共聚 物 ABS 尼龙 橡胶等热塑性材料 以及多相混合材料 如金属粉末 陶 瓷粉末 短纤维等与热塑性材料的混合物 其中PLA 聚乳酸 具有较低 的收缩率 打印模型更容易塑形 以及可生物降解等优点 现今大多数桌面 FDM 型 3D 打印机均采用这种材料 2 2 2 2 结结构构分分析析 2 2 2 2 1 1 机械部分机械部分 FDM 型 3D 打印机的机械部分最为复杂 涉及到的零部件也比较多 如 图 2 1 为 3D 打印机完整结构图 制作一台完整的FDM 型 3D 打印 图 2 1 11 机 简单来说 首先需要制作 3D 打印机的外部基本框架结构 在此框架上 才能安装搭建其它零部件 3D 打印机可以采用激光切割后的实木板或者铝 型材作为机器的框架 如图 2 2 图 2 3 中所示 这里 作者采用实验室已 有的材料铝型材搭建打印机的框架 图 2 2 铝型材框架 图 2 3 木制框架 框架组装完成后 接着需要在框架上搭建一个三轴联动的平台 即控制 打印头在 X Y 方向的运动 打印台在 Z 方向的运动 X Y 轴分别采用 两个步进电机驱动 步进电机与同步带相连 图2 4 中 滑块一端固定在 图 2 5 中的同步带上 通过光杆的导向作用 同步带带动滑块运动 进而带 动打印头在 X Y 轴的运动 图2 4 滑块 图2 5 同步带 同样 Z 轴采用步进电机驱动 如图 2 6 步进电机与丝杆相连 带动 丝杆在 Z 轴运动 同时 Z 轴需要安装两根光杆 起导向作用 通过这些结 构 带动打印台在 Z 方向运动 图 2 7 中所示 由于实验室另外有多余的 XY 轴的运动平台 只需固定其中一个方向 让另一个方向在Z 方向运动 由此替代丝杆的传动 12 图 2 6 Z 轴丝杆传动 图 2 7 实验室 Z 平台 对于 3D 打印机而言 挤出头是其核心的部件 就市面上比较有名的 FDM 型 3D 打印机而言 大多数采用加热棒对铝块进行加热 图2 8 中 塑料丝通过挤出机将丝从进口端挤入 通过喉管导向 到达铝块 经过熔化 进入喷嘴 最后由喷嘴挤出 由于喉管内径比塑料丝直径稍大 故融化后的 塑料丝在进端进丝压力作用下较易从喷嘴挤出 铝块内部装有热敏电阻来读 取温度进而由主控板来控制温度 保证温度在塑料丝的熔融温度之上 图 2 8 挤出头 打印头中的喉管由不锈钢制造 是为了降低其导热性能 不锈钢喉管有些内 部还衬有铁氟龙 由于挤出头 长期加热打印致使吼管内部温度升高 导致管 内料也处在熔融状态 当停止打印冷却后 材料就黏结在管内 下次重新 开机打印时 管内黏着料不能马上融化 使喉管出现堵料现象 喉管内部 衬铁氟龙 使 喉管内料都不会熔融黏着 能大大改善堵头问题 同时作者 在挤出头外加散热片和风扇 主要也是为了降低喉管上部的温度 防止堵头 问题 也可以为挤出机散热 加热熔化后的塑料丝由喷嘴挤到打印台上 如 果为了减少塑料因温度骤减而发生翘边和收缩等不良现象 作者可以将打印 13 台做成加热床 床内有热敏电阻与电路板相连 来控制加热床的温度 为了 节约制作成本 作者就不使用加热床了 2 2 2 2 2 2 电路部分电路部分 3D 打印机电路部分在打印机中起的作用是控制整个打印过程协调 有序 完整的运行 FDM 型 3D 打印机电路部分主要包括 Arduino mega 2560 主 控板 Ramps 1 4 拓展板以及步进电机驱动板 下面对它们的基本参数和作 用 作如下介绍 a Arduino Mega 25602560 主控板主控板 图 2 9 Arduino Mega 2560 主控板 Arduino Mega 2560 主控板的微控制器为 atmega2560 工作电压为 5V 数字 I O 引脚为 54 个 模拟输入引脚为 16 个 每个 I O 引脚的直流 电流为 50 毫安 主控板是 3D 打印机的大脑 负责控制整个打印机来完成 特定的动作 如打印特定的文件等 这里需要说明 拓展版给主控板供电的 二级管不焊接 也就是需要单独给mega 2560 主控板供电 直接使用 USB 5V 或通过电源接头供电 Arduino 是一款便捷灵活 方便上手的开源电子原型平台 包含硬件 各种型号的 Arduino 板 和软件 Arduino IDE 它开放源代码的电路图 设计 程序开发接口免费下载 也可依个人需要修改 它满足了不同人群 创新创意的需要 3D 打印机运行前 需要在 Arduino IDE 中下载 Marlin 固 件 根据需要修改固件中部分参数来满足打印的要求 b Ramps 1 4 拓拓展展版版 拓展板 Ramps 1 4 插在主控板上 通过插针与主控板相连 有了它是为 了更好的与其它硬件进行连接和控制 起到过渡桥梁的作用 拓展板需要接 两个 12V 电源 其中一个为 11A 为加热床供电 另一个为 5A 为挤出 14 机 各轴电机及风扇等元件供电 由于作者未使用加热床 只使用一个 12V 5A 电源即可 Ramps 1 4 拓展板上还有风扇输出与加热棒输出指示的 LED 挤出机与各轴电机均通过步进电机驱动板A4988 由主控板控制 由 于作者采用单机头打印机 挤出机2 电机接口不用安装 A4988 位于拓展 板右上角 有 X Y Z 方向的限位开关 可以控制打印机每次工作时的原 点 拓展板的接线如图 2 10 中所示 图 2 10 Ramps 1 4 拓展板 c A4988A4988 步进电机驱动板步进电机驱动板 A4988 步进电机驱动板是用来连接步进电机的 从而实现主控板对步进 电机的控制 实现 XYZ 轴电机及挤出机的动作 A4988 步进电机驱动板的 特点是 它只有简单的步进和方向控制接口 有5 个不同的步进模式 全 半 1 4 1 8 和 1 16 可调电位器可以调节最大电流输出 从而获得更高的 步进率 有过热关闭电路 欠压锁定 交叉电流保护的功能 以及接地短路 保护和加载短路保护的作用 如图2 11 所示 驱动板通过引脚接插到拓展 板中对应的接口上 图 2 11 A4988 步进电机驱动板 15 2 2 2 2 3 3 软件部分软件部分 前面作者已经知道 3D 打印机软件部分包括上位机软件和下位机软件 两大部分 而每部分又有细分 通过软件的运行 作者才能实现主控板对打 印参数的设置及控制 一台 3D 打印机所有软件完整运行的过程如下 首先 作者需要在电脑上的三维建模软件中完成零件的建模 如Solidworks UG 3D Max 等三维软件 创建完 3D 模型以后将文件另存为 STL 格式 将 STL 文件在切片软件 Slic3r 中打开 通过一系列的打印设置 进行切片 产生代码 在另一上位机软件 Pronterface 上将代码打开 并连接主板 主 板上的下位机软件为 Marlin 固件 运行前已提前进行参数设置 连接成功 后 主板上的 LED 灯会闪烁 待打印机上加热管加热 温度升至设定温度 后开始打印 下面具体介绍一下打印机的软件部分 a 下下位位机机软软件件 Marlin 固件固件 Marlin 固件为自由软件 可以直接用来 做软件开发 而 作者在 3D 打 印机中使用 Marlin 固件时 只需要在 Arduino IDE 软件中下载完固件 找 到 Marlin 固件中的 Configuration h 文件 可根据自己的需 要来修改相关 的 代码内容 作者研制的打印机需要做如下修改 找到 define BAUDRATE 250000 这项代码意义为 电脑通过 USB 线链接打印机的通信波特率 单位 为 bps 在后面打开的 Pronterface 软件中需将 波特率也设置成 250000 才 能成功连接主板 接着需要找到 define MOTHERBOARD 33 这项代码意义为 电路板型号 RAMPS1 4 版本 对应的配置应该为 33 单打印头配置 和 34 双打印头配置 此处作者填写为 33 其它参 数暂时默认即可 软件运行如图 2 12 中所示 16 图2 12 Marlin 固件 Marlin 固件是比较新的一个固件 并且很多使用对其进行了改进 它有 如下一些特点 有预加速功能 使得打印机在打弧线时速度更快 更流畅 温度测量更精确 读数更准确 自动调节的PID 温度控制 最早支持 LCD 显示 以及支持 SD 卡 b 上位机切片软件上位机切片软件 Slic3r Slic3r 为 3D 打印机的切片软件 它的作用是将三维模型的STL 文件进 行切片分层 切片设置完成后 输出G 代码 在 Pronterface 中打开 G 代 码 图 2 13 Slic3r 软件设置 Slic3r 的设置参数比较多 图 2 13 为对一长方体模型进行切片设置 图中 可以看到 Slic3r 第一个工具叫 Plater 它允许在进行切片前加载和安排一 个或多个模型 由三维软件获得 模型的 STL 文件 将它拖到 Plater 或者 17 通过文件菜单打开 plater 将会加载它 并在距离模型几毫米的周围产生 一条 skirt 轮廓线 模型也可以 在软件中进行 重新定位 软件界面 右侧则是 对加载模型的操作选项 可以通过 选项对模型进行调整 具体操作命令的 意义如下 More Less 增加或减少模型数量 45 Rotate 旋转 Z 轴 45 度旋转 顺时针 或逆时针 scale 比例 放大或缩小 split 分裂 把一个模型分裂成多个部分组成并允许每个单独安排 在文件列表的底部按钮可以添加 删除 自动安排和导出模型 Add 添加模型 Delete Delete All 删除一个模型或所有模型 Autoarrange 自动安排最优布局 Export G code 切片模型并生成 G code Export STL 保存当前设定的模型 Slic3r 后面的三个设置为打印设置 填充设置以及打印机的设置 根据 需要逐步进行设置 这里不再列出其具体的设置选项 根据作者对打印机最 终的调试结果显示 打印第一层 的重要性必须引起注意 如果第一层没有 处理好 将导致彻底失败 模型将部分分离和扭曲 下面是为提高第一层 的打印精度 作者总结的一些注意事项 第一层高度 第一层作为粘接层需要更多的热量以及挤出跟多耗材 一 般设置为喷嘴直径 例如 0 4mm 的喷嘴则设置第一层高度为 0 4mm 更宽的挤出宽度 材料接触打印床越多越好 这个可以通过设置挤出第 一层宽度设置 可以使用百分比和固定值两种方式设置 推荐大约 200 的设置 但是这个要结合第一层打印高度设置 例如第一层打印高度设置为 0 1mm 挤出宽度设置为 200 那么实际得到的宽带是 0 2mm 这个是小 于喷嘴直径的 这样会导致挤出过少的熔丝打印失败 更高的打印温度 挤出机加热端假如加热了 可以设置第一层温度更高 点 这样可以降低打印耗材的粘度 做为一个经验值参考 推荐额外提高 5 C 打印床位置的水平 有一个水平的床至关重要 喷嘴位置与打印床接触 过低将会堵住喷嘴口并擦伤打印床 过高将导致打印丝不能粘在打印床上 Slic3r 是一个比较实用的分层工具 软件中的很多参数都是分层工具自 己算出来的 用户只需要填写少量的配置参数 并且因为它易于使用 分层 速度快 打印质量高 如今是非常流行的分层工具 18 c 上位机打印控制软件上位机打印控制软件 Pronterface 通过 Slic3r 切片完成后保存的文件 G code 在 Pronterface 中打开 如 图 2 14 所示 将打印机主板与电脑主机通过 USB 接口连接后 选择与打印 图 2 14 Pronterface 机主控板相同的端口 点击界面上的 Connect 按钮 实现电脑与打印机的连 接 此时 可以对打印机进行直接操作 Pronterface 中也可以对打印进行 设置 下面对 Pronterface 界面功能进行介绍 Port 选项用于连接端口的选择 将打印机与电脑连接后 通常会自动转 变为当前对应端口 如果没有自动转变 可重启Pronterface 软件 或者手 动选择 通常为编号最后一个 前面已经说明 波特率应与 Marlin 固件 的波特率一致 改为 250000 只要固件与控制软件设置的波特率一致即可 Connect Disconnect 按钮用于打印机与电脑的连接或断开 Reset 按钮 用于重置打印机设置 Load file 按钮用于载入打印模型的 G 代码文件 Compose 用于 Pronteface 软件在简单模式和一般模式之间的选择 建议使用 一般模式 即默认的视图模式 SD 卡按钮用于装备 SD 卡扩展插槽的机型 可从事先准备好的 SD 中提取相关模型的 G 代码 Print 是开始打印的命令 按钮 Pause 是打印中途暂停按钮 但打印过程中按此键有可能造成模型数 据前后不一致 建议一次性打印完毕 XY 轴 Z 轴用于调整机器 X Y Z 的最高运行速度 可根据实际情况适当调整 图左侧的 X Y Z 圆形区域版块用于电机调整 其中左下角房屋按键 用于将 X Y Z 轴归零 使得打印头确定原点位置 界面中的数字表示点 击一下该按钮 各轴移动的距离 单位是mm 需要注意的是 打印机因型 号不同 实际运行轨迹可能与箭头指示方向相反 这个作者只需将步进电机 不同两相的接线互换位置 即可 19 Heat 选项指打印头温度设置 可根据打印耗材的不同 在ABS 和 PLA 两种材料之间选择相应温度 然后点击Set 按键开始加热 Off 按键 用于停止加热 Bed 选项指热床温度设置 由于作者制作时未使用热床 不 必对其进行设置 Extrude 按钮用于控制挤出机挤出动作 Reverse 按钮用 于控制挤出机后退动作 需要注意的是 只有当打印头温度达到规定温度 如 ABS 230 度 PLA 185 度 挤出机才会做出相应动作 特别需要注意的是 当每一次启动3D 打印机时 是没有确定其原点的 不要选择过大单位 如 100mm 的按钮或连续点击小单位按钮进行测试 以免对机器造成损害 只有将打印头至于原点 即通过点击左下角房屋按钮 确定 打印机的有效行程才能固定激活 避免机器损害 20 第第 3 章章 主要零部件选择 电路测试过程主要零部件选择 电路测试过程 3 3 1 1 主主要要零零部部件件选选择择 3 13 1 1 1 电机的选择电机的选择 步进电机是通过电流脉冲来精确控制转动量的电机 电流脉冲是由步进 电机驱动单元供给的 FDM 型 3D 打印机一般选用 42 步进电机 且为两相 四线 同相之间有电阻 可通过万用表测量 步距角为1 8 也就是电机 转动一周为 200 步 转轴直径为 5mm 转矩大小根据电机具体型号不同而 变化 打印机上挤出机需要转矩较大 可选择转矩稍大的步进电机 选择步 进电机时需要看额定电压与电流参数 比较典型的是2 8V 和 1 7A 只要 步进电机驱动单元能控制电流输出 理论上可以使用任何比电机额定电压高 的供电电压 如果驱动单元无法控制电流输出 则需要使用同额定电压接近 的供电电压 否则电机会有过热风险 自制3D 打印机一般需要 4 个步进 电机 X Y Z 轴各一个 挤出机一个 图 3 1 42 步进电机 步进电机外接同步带 作者可以计算同步带运动1 mm 也就是打印头 移动 1mm 时所对应的步数 由以下公式计算 步数 电机旋转一周的步数 驱动板的细分数 带间距 步进电机上齿 的数量 例如 作者来计算一下 42 步进电机转一周为 200 步 步进电机的驱 动板通过控制电流大小对步数进行细分 比如16 细分是指在 1 8 一步的 基础上再细分 16 步 带间距是同步带上两个齿之间的距离 所以 T5 的 带间距是 5mm 最后数出步进电机上齿的数量为12 再根据上面的公式算 出步数 得到结果 步数 200 16 5 12 53 3333 然后根据计算 在 Marlin 固件中修改 XYZ 轴电机以及挤出机的步数 21 3 13 1 2 2 挤出头的选择挤出头的选择 在第二章 3D 打印机的机械部分中作者已经说明了挤出头的基本结构和 工作原理 挤出头分为单挤头与双挤头 双挤头的结构如图3 2 所示 与 图 3 2 单挤头 图 3 3 双挤头 单挤头相比较 双挤头采用两个挤出头并列排列 并将相对位置固定 由于 有两个喷头 双挤头的打印速度更快 打印效率也更高 双挤头安装在滑块 上 由滑块与导轨连接 由于其质量更大 运行时产生的惯性更大 对导轨 的刚度要求也更高 这样会降低打印的精度 位于挤出头最下端喷头的喷嘴 直径有四种类型 0 2mm 0 3mm 0 4mm 0 5mm 市场上应用最广的是 0 4mm 的喷嘴 当然根据实际需要可以购买不同直径的喷嘴 这里值得提出 注意的是 选定好喷嘴直径后 也要在打印时软件中设置好相应的参数 如 切片软件中的打印层高 打印速度等 使打印的质量和精度更高 为简便制 作 作者购买的是图 3 2 所示的单挤头 喷嘴直径为 0 4mm 3 13 1 3 3 送丝机构的选择送丝机构的选择 3D 打印机的送丝机构有远端送丝与近端送丝两种 图3 4 为近端送丝 图 3 4 近端送丝 图 3 5 远端送丝 近端送丝就是将挤出机安装在打印头上 材料由挤出机直接挤入喉管 在铝 块中融化由喷嘴喷出打印 这种安装方式由于挤出机与打印头一起运动 打 印头质量大 打印时惯性也大 容易使打印不精确 采用近端送丝对导轨的 刚度要求也比较高 图 3 5 为远端送丝 远端送丝是将挤出机安装在离挤出 22 头较远位置 一般安装在打印机框架上 而不是安装在挤出头上 与近端送 丝相比较 远端送丝需要较大扭矩 才能将材料挤入打印头中 它减轻了 打印喷头重量 提高 了打印速度和精度 但是由于挤出机离打印头位置较 远 一般需要安装减速部件与增大扭矩的部件 经过考虑 作者采用较为简 单的近端送丝机构 3 13 1 4 4 打印材料的选择打印材料的选择 FDM 型 3D 打印机使用的材料一般有两种 PLA 聚乳酸 与 ABS 丙烯腈 丁二烯 苯乙烯塑料 两种材料在未打印呈丝状时 外观很 接近 几乎不可区分 如图 3 6 为材料外观 两种材料均有 1 75mm 与 3mm 两种类 图 3 6 打印材料外观 型的直径 作者选择直径为 1 75mm 的材料 下面对两种材料的区别作简要 介绍 PLA 是晶体 ABS 是一种非晶体 PLA 加工温度是 200 ABS 在 220 以上 当加热 PLA 时 材料像冰冻的水一样 直接从固体 变为液体 加热 ABS 时 材料会慢慢转换成凝胶液体 不经过状态改变 因为没有相 变 ABS 不吸喷嘴的热能 部分 PLA 使喷嘴堵塞的风险更大 PLA 与 ABS 相比较 PLA 具有以下优点 PLA 可以在沒有加热床情况下打印大型零件 模型而边角不会翘起 PLA 具有较低的收缩率 即使打印较大尺寸的 模型时也表现良好 PLA 具有较低的熔体强度 打印模型更容易塑形 表面光泽性优异 色 彩艳丽 PLA 在打印時为棉花糖气味 不像 ABS 那样有刺鼻的不良气味 PLA 是一种新型的生物降解材料 处理时不会像 ABS 那样 产生有毒 气体 污染环境 由于 PLA 打印时有以上一些优点 作者在制作3D 打印机时也没有使 用加热床 因而优先选用了 PLA 材料 23 3 3 2 2 电电路路测测试试过过程程 3 23 2 1 1 测试准备测试准备 在连接电路和调试之前 需要做一些准备工作 以保证打印机调试过程 的顺利进行 打开软件 Arduino IDE 用来将固件传输到主控板上 传输方法 在 Arduino IDE 中选择 Tools Boards Arduino Mega 2560 然后选择串口 Toolss Serials ports 相应的串口 点击编译并下载到板子上 注意 编译 下载前 确定固件中两行代码已经过修改 改动后的代码为 define BAUDRATE 250000 define MOTHERBOARD 33 这两行代码的意义在固 件中已作解释 这里不再作说明 固件在进行上传的时候 主控板上的 LED 灯会不停的闪 等待上传完成 就可以进行电路板的连接及测试了 3 23 2 2 2 连接电路板及测试电路连接电路板及测试电路 断开 USB 数据线 将 Ramps 1 4 拓展板连接到主控板上 注意不要连 接错误 Ramps 上背面的插针应该都连接到主控板才对 然后连接热敏电阻 到板子相应位置 此时打开 Pronterface 软件 选择串口 一般是最后一个 设置波特率为 250000 点击连接 如果正常 右侧会有连接成功的提示 文字 并且下面的操作步骤将可以正常进行了 通过 Pronterface 软件上的 check temp 读取温度 可以获得热敏电 阻的温度 因为热敏电阻是直接连上的 所以读取的温度应接近所在实验室 的室温 如果读取值为 0 则表示连接有误 需检查 虽然没有连接加热头 但可以进行简单测试 首先连接12V 的电源 然后设置加热头的温度为 185 此时拓展板上有红色的 LED 灯会亮 说 明这部分电路正常 关掉即可 然后在Pronterface 软件右下角输入命令 M106 S255 点击发送 这个命令用来打开风扇控制 此时风扇会转动 拓展 板上另一个红色 LED 灯会亮 输入 M107 点发送可以关掉风扇 接下来进行步进电机的测试 断开电源 将A4988 驱动板接入 Ramps1 4 板子 注意插入方向是否正确 否则可能会烧坏电路板 这时 至 少应该有一个电机进行测试 电机接线用万用表200 档测电阻 两线间 有电阻则为同相 同相邻接 一般也可按电机线红蓝绿黄颜色的顺序依次连 接 连线完成后 接通电源 通过Pronterface 尝试让电机动起来 比如将 电机接到 X 轴上 点击 X 轴电机 10mm 电机会转动 点击 10mm 电 机会反转 用同样的方式可以测试Y 轴和 Z 轴 注意 更改测试的电机时 应该关闭电源 连线完毕后再打开电源 挤出电机当温度达不到时是不能测 24 试的 可以将其 A4988 驱动板安装到 XY 或 Z 上进行测试 以保证驱动器 的正常 第第 4 章章 打印机的组装及打印运行打印机的组装及打印运行 4 4 1 1 打打印印机机的的组组装装 3D 打印机的组装过程 就是将已经准备的零部件按照一定的顺序和步骤 逐步安装起来 最后形成一台完整打印机的过程 图4 1 为一台理论标准 制作的 3D 打印机 图 4 2 为作者安装完后的打印机整体结构图 下面介绍 打印机的组装过程 图 4 1 标准 3D 打印机 图 4 2 打印机实际组装图 首先作者进行打印机框架的组装 如图4 2 所示 将准备好的 12 根铝 型材 底面和顶部分别使用 4 根 竖直方向也使用 4 根 使用图 4 3 所示 的 图 4 3 直角连接件 图 4 4 滑块 直角连接件 图 4 4 所示的滑块连接 用螺栓拧紧固定 构成打印机的基本 25 框架 然后开始搭建 XY 轴所在平面 与组装打印机外部框架相似 将8 根 铝型材相互连接 并安装上光杆与箱式轴承滑块 安装挤出头的铝型材固定 在两根光杆中间 并连接上同步带与XY 轴步进电机 XY 轴所在平面也是 由直角连接件和滑块 固定在打印机的外部框架上 图3 1 中 步进电机 由电机座安装在铝型材上 在第二章中作者已经介绍 挤出头通过螺纹与滑 块连接 滑块由电机带动 在直线导轨上运动 前面已经提到 作者制作时使用 XY 轴所在平面的运动平台 固定其中 一个方向 让另一个方向在 Z 方向运动 由此替代丝杆的传动 由此 打 印台的 Z 方向运动也就确定了 由于作者未购买打印台 作者用方形木板代 替打印台进行打印 4 4 2 2 打打印印运运行行 电路连线测试完毕 以及机器组装均完成后 就可以打印三维模型了 如图 4 5 作者用 solidworks 画了一个 20 20 8 的长方体块 保存的 STL 文 图 4 5 长方体模型 件在切片软件中打开 然后发送 G 代码到 Pronterface 中 点击连接进行打 印 第一次打印失败 原因是作者用限位开关找打印原点时 限位开关的位 置设置不够精确 使得 Z 方向上喷嘴最下端与打印台距离相距过大 材料未 成功粘到打印台上 由于手动肉眼调整限位开关位置 所以误差存在也比较 正常 需要多次调整找正原点位置 经过多次测试 在成功找正原点后 再次运行 第一层材料顺利粘接到 打印台上 但打印过程中作者发现 打印第一层以上各层时 喷嘴下端进入 被加热熔化的材料中 使喷嘴拖动材料在打印台上运动 也未打印出完整模 型 作者在切片软件中将每层打印高度由0 3 设置为 0 4 此时打印精度比 26 较前面有很大改观 结论结论 在做毕业的这将近一个学期的时间里 作者从收集资料做起 通过各种 途径收集有关 FDM 型 3D 打印机的相关内容 然后从中筛选 整理出制作 3D 打印机有用的资料 然后集中学习整理的相关资料 购买相关硬件器材 学习使用打印需要的软件 一步步安装打印机 调试打印机 到最后运行打 印过程 并打印出完整的模型 不懈的努力有了令人满意的结果 自制 3D 打印机的过程是一个动手的过程 通过动手制作的锻炼 让作者的动手能 力得到了极大的提高 也增强了作者综合运用学科知识以解决实际问题的能力 这是作者初次进行这种比较正式的设计 由于设计的时间比较短 理论 知识水平也十分有限 在许多方面作者的了解还不够透彻 可能把握全局的 目光还不够长远 所以自制的 3D 打印机还存在不少缺点 在第一次运行打印机时作者失败了 通过总结知道 原因出在限位开关 上 找打印原点时 限位开关的位置设置不够精确 使得Z 方向上喷嘴最 下端与打印台距离相距过大 材料未成功粘到打印台上 作者通过多次调整 找正原点位置 但这种方式比较麻烦 可以使用光电开关代替限位开关 这 样精度会更高 后来 在打印过程中作者发现 打印第一层以上各层喷嘴下 端进入被加热熔化的材料中 使喷嘴拖动材料在打印台上运动 也未打印出 完整模型 在切片软件中将每层打印高度的设置更改后 打印精度比较前面 有很大改观 这说明切片软件的设置对打印精度的影响尤为重要 但切片软 件参数的设置比较需要打印者的经验 通过打印者在实际操作中不断总结 优化参数设置 提高打印精度 由于作者接触打印机的时间还比较短 经验 还不足 所以打印精度也不够高 另外 在打印时 作者发现打印头的震动 很大 这无疑也会影响打印的精度 其原因是打印机组成零部件的精度不高 零部件表面也比较粗糙 如导轨不够光滑 滑块本身粗糙度大等等 可以选 用更为精密的零件 以提高打印精度 打印机的运行是一个不断优化的过程 27 所以还有很多方面可以调整与改进 打印机的成功设计是小组成员共同努力的结果 也离不开导师的耐心指 导 从中作者知道了团队合作的重要性 这也提高了制作者的团队合作能力 作者主要负责的是 3D 打印机研制的相关内容 即制作出一台完整的3D 打 印机 通过动手实践 作者知道了3D 打印机的工作原理和组成结构 在思 考与操作的过程中 以前作者所学的知识也得到了综合运用和复习 让作者