微型FDM型3D打印机的研制毕业设计论文docWord文档格式.docx
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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3DCAD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:
FDM技术快速成型3D打印机特种加工开源
Abstract
FDMrapidprototypingtechniques,a3Dprintingtechnology,whichusesathermoplasticmaterialextrudedintofilamentsbyasemi-moltenstate,thefilamentsmoltenstatewiththemethodoflayeruponlayerstack,constructingaprototypetechnologydirectlyfrom3DCADdata.FDM3DprinterisaminiaturemodelbasedonthetheoryFDMtechnology,developedintoadesktop3Dprinter,itprovidesteachingaidsforthe“specialprocessing”courses.ThispaperdescribesacomprehensiveFDM3Dprinterbasiccontenttype,basedontheprinciplesandfocusesonthestructureoftheprintertoprint,anditsstructurewasanalyzedindetail.HomemadeFDMtype3Dprinterfollowsthedesignphilosophyofopensource,whileallowingdesignerstocontinuallymodifyandoptimizethedesignofthehands-onpractice,andinnovativeideastomeettheirownneeds.
Keywords:
FDMtechnologyRapidprototyping3Dprinter
SpecialprocessingOpensource
第1章前言
1.1课题的背景和意义
3D打印机(3DPrinters)是一位名为恩里科·
迪尼(EnricoDini)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3DCAD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。
1.2FDM型3D打印机的国内外发展状况
国外占据3D打印产业主导地位的美国3Dsystems、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。
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。
1.3本课题主要设计内容
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。
第2章FDM型3D打印机打印原理及结构分析
2.1打印原理
FDM(FusedDepositionModeling,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FDMINSIGHT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3DCAD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结构分析
2.2.1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
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。
图2-6Z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Arduinomega2560主控板,Ramps1.4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)ArduinoMega2560主控板
图2-9ArduinoMega2560主控板
ArduinoMega2560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mega2560主控板供电,直接使用USB5V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(ArduinoIDE),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ArduinoIDE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)Ramps1.4拓展版
拓展板Ramps1.4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。
Ramps1.4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2-10Ramps1.4拓展板
c)A4988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2-11A4988步进电机驱动板
2.2.3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、3DMax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)下位机软件Marlin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ArduinoIDE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
#defineBAUDRATE250000
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
#defineMOTHERBOARD33
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。
图2-12Marlin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2-13Slic3r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/DeleteAll删除一个模型或所有模型。
●Autoarrange自动安排最优布局。
●ExportG-code切片模型并生成G-code。
●ExportSTL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。
c)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2-14Pronterface
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。
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Se
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