【《3D打印机结构材料的选型分析》4800字】

致谢-PAGE128--PAGE127-3D打印机结构材料的选型分析目录TOC\o"1-3"\h\u69683D打印机结构材料的选型分析 1296821.1步进电机 2177121.2步进电机驱动器 377161.3传动部件 4205881．同步带、同步带轮 4226852.普通丝杠,T形丝杠,滚珠丝杠 580991.4限位开关 6137481.5挤出部件 7215761．近端挤出机 8121952．远端挤出机 8112553．热熔挤出头 8124791.6加热床 916161．隔离材料 998122．加热床电线 9160833．打印平台材料 10152664．加热材料 10182015．硅胶加热垫 11279176．聚酰亚胺加热薄膜 11314387．加热电子电路 12217931.7温度传感器 12297171.8电源 1390571．计算机主机电源 14284632．服务器电源 14174383．移动电源 153067移动电源可以为3D打印机提供12V、240W的电源。这些电源还提供过载保护和自动断电。 15208294.OEM电源 1560091.9控制电路板 15314361.10显示屏 161.1步进电机步进电机是动力的主要来源，步进电动机的产品质量,决定3D打印机工作好坏。高质量的高速步进电动机，工作时发出的噪声和热量都很小，转矩也足够大。3D打印机常用的步进电机为42型步进电动机，3D打印机一般使用42步进电机，有些3D打印机为了追求产品小型化而选择37型步进电动机。[4]图3-142型步进电机图3-242型步进电机模型图42步进电机(图3-1)步进角度为1.8°，可以满足3D打印机的需求，使打印更稳定，扭矩更大，精度更高。其模型图如图3-2所示。具体参数如表3-1所示：表3-142步进电机产品参数产品规格两相四线步距角1.8±5%度/步最大电流1.5A电感值20±20%MH/相位额定电压1.3V保持转矩48N·cm制动扭矩2.6N·cm转子的力矩68g·cm2阻力值10±10%Ω/相产品重量282g1.2步进电机驱动器3D打印机使用的步进电动机驱动器可以分为三种类型。第一种类为独立的驱动板，需要插接单独的驱动电路板。这些独立驱动板的驱动芯片使用AllegroA3982，驱动电流可以达到2A。第二种类为主板可插拔类型的驱动模块，可直接插接到一些主板上，使用AllegroA4983/A4988QFN封装的驱动芯片，可提供1-1.5A的驱动电流，最高支持16细分驱动模式。其中使用最广泛的为A4988驱动芯片，如图3-3所示为A4988驱动芯片。图3-3A4988驱动芯片第三种类为集成式驱动模块，使用AllegroA4988/A4982驱动芯片，典型代表是最新的ReprapMelzi2.0电路板使用了A4982芯片。使用电源驱动器时,要自行设定调节驱动电流。比额定大的驱动电流容易直接烧毁驱动器的芯片,甚至可以烧毁步进电动机。1.3传动部件3D打印机的传动部件包括同步带、同步带轮、丝杠、联轴器。1．同步带、同步带轮大多数3D打印机X轴和Y轴都使用同步带移动挤出机。常见同步带宽度为5mm-6mm，齿间距在2mm-5mm，齿形有T形齿和圆弧齿，和同步带轮配套使用。如图3-4所示，模型如图3-5。图3-43D打印机的传动部件3-5传动部件模型图常用的同步带和同步带轮有T5、T2.5、XL、MXL、GT2。T5:早期3D打印机常用的同步带，齿距5mm。T2.5:为了提高定位精度要求，可采用T2.5同步带和数控铝同步皮带轮，与以前的T5同步带相比，精度有了很大的提高。XL、MXL:工业级同步带，XL同步带节距为5.08mm,MXL同步带节距为2.032mm。两种同步带齿形均为圆弧，间隙更小，精度更高。GT2:专门为直线运动设计，圆弧齿形，往复运动回差很小，需使用专用的同步带轮，成本高。齿数多的电机分辨率高,直径增大，转矩下降，适合高转速运动。齿数少，电机分辨率低，直径减小,转矩增大,适合低速运动。2.普通丝杠,T形丝杠,滚珠丝杠T形丝杠精度高，价格低廉，一致性好，但是也会左右晃动。滚珠丝杠一般用在工业3D打印机上，精度高，一致性好，运动过程稳定，但价格昂贵。图3-6普通丝杠图3-7普通丝杠模型图DIY3D打印机中经常使用普通丝杠（图3-6）,几乎所有自制3D打印机都使用了普通丝杠连接框架主体，尤其是8mm直径的不锈钢丝杠。3D打印机中，普通丝杠也被用来控制Z轴的升降，其最大的优点是价格非常便宜，不需要专用螺母（普通M5、M8螺母即可)，但是往往晃动较大，精度不一致。[7]模型如图3-7所示。1.4限位开关限位控制开关是一种专门用于实现限制任何机械物体运动行程极限特定位置的线性电阻式开关,其工作原理主要是通过利用限制机械物体运动的内部碰撞或触点运动来控制实现机械控制电路的通信中断,从而可以限制任何机械物体运动的极限位置或运动行程。常见的自动限位控制开关类型有机械式自动限位控制开关、光电自动限位控制开关和霍尔式自动限位控制开关。这三种自动限位控制开关尤其以机械式自动限位控制开关在3D打印机中间的应用最为广泛。图3-9机械式限位开关图3-10机械式限位开关模型图其工作运动原理主要是当运动开关限位运动闭合，机械部分触点自动接近开关，运动闭合机械上的开关限位运动闭合触点开关时，开关限位闭合触点连杆元件可以同时驱动一个限位闭合开关触点，使运动开关限位闭合触点自动停止断开或者自动使开关闭合触点暂时停止自动闭合。机械式自动控制限位开关控制自动开关通常由常开控制开关（NO)、常闭控制开关（NC）和连接点(C)3个接点组成，实际使用中根据需要来选择常开和常闭接点。图3-9为机械式限位开关。图3-10为模型图。1.5挤出部件1．近端挤出机早期MakerBot3D打印机最常用的是近端挤出机，原理大都是轴承和挤出齿通过弹簧弹力夹紧打印耗材丝。打印一种材料时，使用近端挤出机最合适、高效。价格实惠、组装简便、挤出速度快、PTFE管方便固定、不需要大转矩电动机。2．远端挤出机Bowden挤出机在三角洲(三臂并联）机器中使用，使用减速电机驱动挤出齿轮，远程送料，减轻了打印头质量，使运动更平稳，速度更快。3．热熔挤出头3D打印机中热熔挤出头（图3-11）是重要部件之一，使用最广泛的一种是分体挤出头,另一种是一体化挤出头，挤出头最前端可更换不同尺寸的打印喷嘴。模型图如图3-12所示。图3-11E3DV6挤出头图3-12挤出头模型图一体化成型挤出头最常见的类型是采用J-Head型挤出头，其结构设计合理，安装简便，可靠性高。J-Head新型挤压输出头大体可以分为3部分，最底端为一个铝制喷嘴、连接器等部件，内部为PTFE排气管。其中，连接的零部件通常经过加工后形成孔状，更利于散热。PEEK可以耐温至340℃,并拥有高强度的力学性能，隔热性能优异。兼顾打印速度和打印质量，需要折中选择0.4mm直径喷嘴。PTFE管贯通设计可防止打印材料泄漏,挤出和回退材料更显著。底端喷嘴内部大多加工成锥形结构,使用PTFE管时底端也需要切削成锥形,使其彼此匹配。E3D挤出头从第一代E3DV1到E3DV6设计上不断改进和革新，充分利用挤出丝材料的特性，最优化的温度控制，并不断扩大挤出头内部空间，同时间挤出量得到最大的提高，在保证打印质量的前提下，最大限度地提高打印喷头的出丝速度。加工简单，散热性能更好，价格相对低廉,性能优异，使用广泛。1.6加热床3D打印时要加热打印床，随着打印的进行，最底端最先出现冷却，产生收缩，导致翘曲。使用热床可让快速冷却的打印件保温,延缓收缩速度，这样可使各个打印件间的一致性变得更好,打印件制作成品后的质量更高。1．隔离材料加热时，热床中心温度要高于四边，打印时热床四边发生翘曲，热床温度过高会使底面打印件软化变形。隔离加热床可以使温度分布均匀，防止底面软化。2．加热床电线热床中加热管的工作电流在6-10A，需选择0.5mm2以上的线材。在热床和电线的连线使用特氟龙管隔绝，以免发生短路。3．打印平台材料(1)玻璃：3D打印机打印平台材料经常使用玻璃，它不易变形弯曲,导热系数小，但是加热温度比较难预测，加热不均匀时易碎裂，需要专业工具切割,在平台移动时易振动。(2)陶瓷玻璃：陶瓷玻璃作为打印平台的新型材料，避免了加热不均匀时碎裂的问题,并且切割和钻孔更容易。(3)金属：铝、铜、钢可作为打印平台材料。铝板的优点是比热容、热传导都相对较高，温度分布更均匀；缺点是易变形，加热时膨胀系数大。而铜板、钢板比热容比铝板要高得多，加热或降温都需要更长时间，保温效果更好。4．加热材料(1)镍铬合金丝：使用镍铬合金丝需要自行计算长度所对应的电阻,以及在电路中工作的电流，电流过大会烧坏电路中的MOS元件。镍铬合金丝的特点是经济实惠，但操作起来需要一定的动手能力，了解欧姆定律的相关知识，加热不够均匀。(2)PCB加热板：PCB加热板价格低廉，加热均匀，最常见的型号是MK2A、MK2B。PCB加热板最好使用1oz的铜箔，薄厚应尽量均匀，才能达到最好效果。目前，使用最广泛的是MK3加热板，常见的3D打印机大都使用这种加热板，打印速度更快。MK3加热板采用12V、24V双电源设计，这样不仅兼容以往12V为主电源的PCB加热板，而且适用24V电源，由于电压提高了一倍而电流减少了—半，电线发热更小,并且可以使用更细的电线替换以往粗壮的电线,更有利于加热床的高速移动。这种集成铝板式的加热板加热迅速,24V电源下温度加热到100℃只需2min。最大加热温度更高,最高可达180℃。MK3加热板提供了三孔和四孔的固定方式。三孔固定方式相对于四孔固定方式更容易调节打印平台水平。图3-13和图3-14为MK3加热板和其模型图。图3-13MK3加热板图3-14MK3加热板模型图5．硅胶加热垫硅胶加热垫的特点是加热迅速，可以达到很高的温度，可靠性好，易于安装，但价格相对昂贵。使用硅胶加热垫加热时，需要注意加热床温度探头不能离开加热垫，如果检测不到温度，加热床会一直加热，造成加热床的温度一直升高。6．聚酰亚胺加热薄膜聚酰亚胺加热薄膜非常薄,性能与硅胶加热垫几乎一致,适合轻薄设计场合,其发热效率明显优于PCB加热板,大大缩短了加热时间，但是价格高昂。7．加热电子电路(1)MOS驱动电路：能同时加热挤出头和热床。通过热敏电阻检测加热头或加热床的温度,根据检测温度调节电流的大小，使温度保持在一定范围。(2)金属温度开关：3D打印机加热床大多需要保持在恒定的温度，一种简单、低廉的解决方法是使用金属温度开关，这种开关达到标示的规格温度时就会停止加热,低于此温度时就会触发加热开关。其连接电路极其简单，只需把金属温度开关和加热床串联接入电源，并把金属温度开关安装到加热材料上即可。[8].1.7温度传感器温度传感器用来测量挤出头和热床的温度，温度传感器都使用热敏电阻元件，也有少数使用热电偶元件。高品质的热敏电阻可在测量范围内精确地测量温度对应的阻值，并预测温度变化。热敏电阻的类型也有不同，有的温度越高，阻值越小；有的温度越高，阻值越大。图3-15所示为热敏电阻。图3-15热敏电阻热敏电阻测温原理:通过模-数转换器（ADC）测量热敏电阻一端的电压得出阻值,然后查表找到对应温度对应公式如下:ADC_count=1024Uout其中，RX、R2为热敏电阻，Ucc为两端连接的5V电源，Uout为中间电压，Uref为参考电压，最后得到模-数转换器对应的数值。常见的热敏电阻型号:EPCOS100K、RRRF100K、Honeywell100K、Honeywell500K、ATCSemitec104GT-2、PT100、PT1000。[9]1.8电源3D打印机大都使用12V的直流电源，电流在5-30A。步进电机和挤出头的工作电流在5A左右，热床在5-15A。总电流约为18-30A，功率约为360W(12V电压)。图3-16为3D打印机的电源。图3-1612V/30A电源3D打印机使用的开关电源种类主要有四种。1．计算机主机电源有些控制板可以直接连接计算机主机电源，但需要把计算机主机电源接口剪断自行接线。有些3D打印机控制板提供Power-On信号去唤醒计算机主机电源。除了提供12V，计算机主机电源还提供了1.3V、5V，所以最好选择功率在400W以上并检查12V电压下输出电流的能力。2．服务器电源3D打印机同样也可以使用服务器电源。服务器电源大部分只提供12V电压,却能提供非常大的电流,且二手的服务器电源价格相当低廉,但是服务器电源一般都是直接插到机架系统的,需要根据不同型号自行改装接口。3．移动电源移动电源可以为3D打印机提供12V、240W的电源。这些电源还提供过载保护和自动断电。4.OEM