基于教学使用的FDM型3D打印机制作
时间：2020-06-06 07:59:38 来源：达达文档网 本文已影响 人 
摘 要：3D打印技术理论与实践的结合应通过有效载体进行推广。从FDM型选择、理论学习与研究、样机设计与制作，总结了3D打印技术应用于教学使用过程中的理论、实验，以及制作可行性，满足课堂教学、实验实践的需求，有利于3D打印技术在高校的学习推广。
关键词：FDM型3D打印机；制作；教学
1 绪论
随着我国工业发展要求的不断提升，3D技术已逐步受到社会和高校科研师生的关注。全国第九届大学生结构设计大赛分赛段装配式桥梁结构模型制作，明确进行了应用3D打印机虚拟制作环节；3D动力大赛机械产品赛事也逐步从模拟三维造型向3D打印实物要求逼近，等等。[1]
本文项目研究组初衷是基于教学研全方位了解、认知一台3D打印FDM型机器。随着项目进程的不断学习和参加创新活动不断深入，也越发体验到制作和运行机器，对复杂的3D打印知识掌握具有非常直观有效的学习作用，更具有在大学生开展3D打印教学研初级阶段快速掌握基本知识框架的现实意义。
2 3D打印FDM型选择
FDM全称Fused Deposition Modeling，即熔融沉积成型技术，其工作过程为：计算機建模后，转换输入打印机控制器，控制器协同打印机喷头，将丝状材料融化喷出，根据喷头与工作台、步进电机等协同，层层打印形成三维实体。
选择FDM型一方面根据大学生教学使用，它具有设备成本低、原料高效无污染、器械及试验轻便等优点；一方面是3D打印领域其它类型选择所需投入机器成本、场地和环境要求等，高校教学或大学生创新实践都不能较好适应。
当前市场和高校的3D打印机，FDM型常见主要类型有三种：三角洲3D打印机、i3打印机、Makerbot 3D 打印机。[3]根据教学使用为出发点，每种打印机都在设计方面具有自身独特的优势，但也存在其教学研究等领域狭小的不足。因此，综合各打印机情况，创新开发具有自身特点的教学多用途打印机变得尤为重要。本文项目研究组通过调研与研讨，制作一台基于教学使用的FDM型3D打印机作为课题项目进行了组队研发。
3 教学使用FDM型3D打印机结构设计
一台机电产品都有自身通用的要求，包括框架安全性能、传动动力控制、打印控制系统、喷头平台设计等。经调研与研讨，FDM成型要求所具备的传动动力、传动方式、运动方式等，在三角洲3D打印机、i3打印机、Makerbot 3D 打印机上都根据自身结构特点选择了适合的方式呈现，其最大区别在于运动方式的不同而对其进行了区分。
从教学使用和打印实践来看，本次设计一方面要尝试传动方式的改变，由带传动改为齿传动；另一方面要尝试在打印实践方面改进打印精度，进行喷头装置控制配合的新方法。
3.1 外支撑框架设计
熔融沉积打印机有很多种类型，其中最常见的有两种类型[4]：
类型1：笛卡尔3D 打印机
它由三个导轨组成，沿着笛卡尔平面的轴线运动。选择控制笛卡尔3D 打印机的运动是相当简单的机械和软件，因为只有沿着轴线直线运动。现在市场上的3D 打印机大多数使用笛卡尔系统。
类型2：Delta 3D 打印机
它通常由三垂直导轨组成，其运动是通过他们上下移动的。它们直立在三角形结构中。挤出机连接到这些导轨与三臂，由于运动比较复杂，因此很难以找到打印机的头部位置。Delta 打印机在业界和3D 打印消费群体中越来越受欢迎，这是因为这种打印机可以更快的打印模型，而且比笛卡尔坐标的打印机更加紧凑。
在参考两种类型结构的基础上，团队调研研讨构架出设计三维如图1示。
三维构图3.1两个立起来的丝杠是我们所使用笛卡尔坐标系中的Z轴，另外一个丝杠就是Y轴，从这两个轴建成一个平面，把喷头运动方向建为X轴并垂直于Z轴，这样笛卡尔坐标就构建完成，外支撑框架设计构图完成。
3.2 喷头平台设计
由熔融沉积打印机的原理可知，它是由熔丝慢慢的挤出，然后一层一层的堆积成型，熔融沉积打印机可以通过降低层高和使用直径较小的喷嘴，在一定程度上提高精度。虽然这些方法提高了精确度，打印表面还是有不平行的问题出现。[5]并且在打印过程中，当改进精确度时，打印机是通过降低层高度或使用喷嘴直径越小，零件的打印时间就会延长。综上所述，利用一杆多喷头的方法，从而达到每次挤出都会变小，减少每一层的间隙，得到精度的提高；多喷头工作减少时间消耗，喷头平台设计雏形完成（见图2）。
3.3 传动动力控制设计
与传统动力控制不同，本次3D打印机动力控制主要采用步进电机控制所有的轴和挤出机。从动力学来看，步进电机需要完成轴运动和挤出机喷头两个运动，因此需要选择两个电机，或进行理论与实验选择一个电机。
步进电机是由一个多齿的磁性齿轮驱动的，在定子中有装有相应齿的电磁铁连接到马达的转子。轴运动阶段的拉扯和推挤，选择适合齿轮的牙以不同的力，得到多个齿步就可完成。而挤出机所连接的喷头就需要配合喷头运动进行实验完成匹配。
选择挤出机的步进电机还需要考虑所用喷嘴的直径。通过理论研讨和实验设计，我们找到了比较符合的三种步进电机，这三种电机的型号为JK42HS34.1334A、SM.42BYG011.25、42BYGHM809，根据线材向下运动要考虑到步进电机的步进角，还有扭矩，团队实验后数值如下表所示。
根据上表实验数据，结合选择喷嘴的直径和控制软件，型号为SM.42BYG011.25的步进电机最符合整体设计所需。
3.4 打印控制系统
本次设计教学使用的3D打印机FDM型起初选择了市场较为稳定的Mega 2560控制板，但鉴于多喷头兼容性及后期扩容等实际问题，样机改选为RepRap 奥梅罗德使用的一个开源的控制器板Arduino 的微型控制器与四A4892 步进驱动器，该控制系统传输是以以太网、高速 SD 卡插槽、高电流 PWM，12A 35v 直流电源输入和其他组件兼容，这样A4892 步进驱动器进入1/16 微步，提供了更高精度。
3.5 样机组装
本文项目研究组所呈现的是一台基于教学使用的3D打印FDM型样机设计，打印材料使用PLA；該打印机主要由控制板、打印驱动及电机单元、机械运动单元、打印喷头、反馈检测单元、打印零件分层程序等组成；该打印机可以用来制作模型及机械等各种零部件。
（1）主要设计参数：
工艺选用：FDM
外框尺寸：400*400*360
工作尺寸：200*200*150
打印喷头：单打印头
耗 材：PLA
（2）重要组装及原因分析：样机框架材料采用用的是2020的铝型材，使用2020铝型材是因为此型材的承重和3D打印机外框的安装是最合理的型材；打印平面采用的是200*200*150的打印空间，外框材料尺寸选择了400mm长的铝型材两个，360mm长的铝型材两个，组装为400*400的3D打印机的平面支架；在360mm的两铝型材上安装T型立式铝合金支架用来支撑Y轴，Y轴的运动路线和距离就确定了；在400*400的平面支架上的400mm的铝型材上还要安装两个Z轴的电机支架，样机组装后如图3所示。
4 制作中遇到的困难
制作教学使用的3D打印机FMD型，原期望解决的传动方式由齿动替代皮带轮动，鉴于实验中的齿动不稳定性，改为了一机带多动的处理方式，但仍采用了皮带轮动的传动方式。
为追求打印精度，所制作的3D打印机把喷嘴的直径变小，对打印件的精度是变高了，但是对于这种熔融沉积的打印机的打印速度反而拖慢了。
为提升打印速度，期望用多喷头叠加来减少耗时，而在编程过程中，目前通用软件无法完成一控多的现状，对于这个问题还是有待研究。
5 结语
制作过程中，本文项目研究组主要研究了基于FDM型的3D打印技术。目前市场和科研单一的划分三种平台设计类型，在本样机设计中有了较好的相互借鉴：一方面，通过FDM型的3D打印技术理论分析，从喷头设计、成型精度提升设计等方面进行融合；另一方面，运用步进电机的理论与实验数据相结合，对传动系统进行了部分改良，最后通过整体设计需要，完成框架、材质、控制器等系列建模的装配工作。
作为认知和熟悉3D打印技术的一种方法，本文项目研究组通过理论学习、整体构架、解决实际问题等方式，掌握了FDM型3D打印机从无到有的整个过程。它有利于师生培养3D打印技术的学习研究兴趣，有利于团队着手准备下阶段研究内容，更有利于举一反三开拓3D技术其它类型的可能性。而作为第一手资料，通过总结与教学分享，更有利于3D技术在大学课堂和实验室的推广。
参考文献：
[1]张萍，闫宇，等.3D打印机在高校土木工程教学中的应用探讨[J].山西建筑，2016（15）：229.230.
[2]郭遵站.小型3D打印技术研究[D].长春理工大学，2014.
[3]郭振华，王清君，郭应焕.3D打印技术与社会制造[J].宝鸡文理学院学报（自然科学版），2013（04）：64.70.
[4]王龙.基于熔融沉积技术的金属3D打印机研制[D].南京邮电大学，2016.
[5]谢卓.熔融沉积成型精度分析及工业参数研究[D].合肥工业大学，2016.
项目：本文为江苏省高校大学生创新训练项目：3D打印FDM型样机研制（项目编号201713101006Y）阶段性成果之一
作者简介：王克，男，在读学生；刘远，男，在读学生；常太明（1982.），男，河南延津人，大学学历，讲师，主要研究方向：创新创业教育。
