五自由度FDM型三维打印装置设计

曹晟，邵帅

（上海交通大学，上海 200240）

五自由度FDM型三维打印装置设计

FDM 3D printing device with five degrees of freedom

曹晟，邵帅

（上海交通大学，上海 200240）

常见的FDM三维打印机不能打印中空结构模型。文中创新制出一种五自由度FDM打印机，通过增加两个转动运动轴，使成型面始终在有支撑的水平面上，这样可以直接打印空间曲线悬梁臂弯管等以前无法实现的模型。此新型打印设备节约了成本，提高了加工效率。

五自由度；3D打印机；FDM；模型；坐标系；运动轴；平台

编者按：2015年9月20日，首届“萨驰杯”智能科技创新大赛决赛在苏州大学敬贤堂成功举办。大赛由萨驰华辰机械（苏州）有限公司主办，中国石油和化工勘察设计协会橡胶塑料设计专业委员会、中国橡胶工业协会机械模具分会、《橡塑技术与装备》杂志社、上海交通大学机械与动力工程学院、哈尔滨工业大学机电工程学院、东南大学机电工程学院、苏州大学机电工程学院、青岛科技大学、西门子工厂自动化工程有限公司及罗克韦尔自动化（中国）有限公司共同协办。

为共同促进我国科技教育多元化，实现中国制造2025的中长期目标提供有力的支持，促进企业文化活跃橡塑行业科技文化事业发展。本刊将分期连续选登参赛作品，以供业内人士全方位、宽领域了解科技发展动态。

随着科技的发展，3D打印这个概念，在近几年突然变得十分火热。在各大新闻网站搜索3D打印关键词，有60多万条相关新闻纪录，而一些如“3D打印手枪”、“3D打印汽车”、“3D打印房屋”、“3D打印骨架”等概念，最近也频繁出现在我们的视野中。这无疑传达出这样的信息——3D打印不仅仅在改变行业，更是在逐步改变我们的生活。

3D打印技术是快速原型（Rapid Prototyping，简称RP）技术的通俗叫法，人们从使用3D CAD的那天起就希望方便地将设计“转化”为实物，因此也就有了发明3D打印机的必要。从历史上来讲，3D打印的思想，在20世纪末，已在美国萌芽。但当时受限于技术和材料，无法成型。

相对于传统制造工艺，3D打印技术有两个优点，一是节省原材料和人工。由于采用“增材制造技术”，它的用料只有原来的1/3到1/2，生产速度却快4倍。同时因省却生产线和一部分组装过程，可降低人工成本。第二个优点是可以制作形态各异的物品。理论上，只要电脑可以设计出的造型，3D打印机都可以打印出来。

如今3D打印机已成为比较常见的一种制造方式，并发展出了FDM（Fused Deposition Modeling，熔融沉积造型）、3DP（Three Dimensional Printing，三维打印）、SLS（Selective Laser Sintering选择性激光烧结）、SLA（Stereo lithography，立体印刷术）等技术，已趋于成熟。但是研制出低成本高性能的三维打印装置，仍是业界不懈追求的目标。

在上述类型的3D打印机中，FDM型3D打印机，以其价格低廉、结构简单、外形漂亮、环境友好等特性，在桌面级甚至工业级3D打印机中都占据了主流地位。下面，我们先从FDM型3D打印机的原理讲起。

熔融沉积造型，即FDM（参见图1），其原理主要是通过加热热塑性材料，使其融化后在重力作用下流在成型面上，再冷却固化，形成坚硬的实体。打印的过程，首先将三维模型切片分层，然后逐层打印出每一层的零件，再通过层层叠加的方式获得三维的实体模型。因为可塑性材料是依靠重力作用流下来，通过层层堆叠的方式构建三维实体，所以，每一层的成型面都必须有实体支撑。因此，对于一些悬空的实体结构，必须在其下部先打印出一些支架材料，起到支撑作用。这些支架材料的生成并没有实际作用，而且去除这些支架材料也是后处理过程中的一个难点。最重要的是，一些模型因为中空的结构，根本无法用FDM型3D打印机加工出来。模型造型受到了大大的限制。

图1 FDM型3D打印机工作原理

为了更好的说明这个限制难度，我们构建了两个模型。图2（a）模型1是一个中空的立方体，用于储存固体颗粒或者液体；图2（b）模型2是一个90°直角弯管，用于直角支撑或者走线。要想打出这样的零件，机器都会像模型2所示的那样，生成大量的灰色的支架材料。这些支架材料的产生，既带来了后处理上的难度，也造成材料的浪费。

图2 3D打印模型实例

那么，是否有办法避免这些支架材料的产生呢？

在这个基础上，笔者在裴景玉教授的指导下提出了“五自由度FMD型3D打印机”的概念，通过增加两个转动运动轴，转动坐标系，使成型面始终在有支撑的水平面上。这样，就可以避免支架材料的产生。

具体的原理，可以用这个空间曲线的悬臂梁弯管来举例说明。任何3D打印机见到这样的模型都会为之头疼，而如果可以在正常打印完白色部分之后，旋转底部平台，在合适的位置再打印浅灰色的部分，最后再旋转平台，打印深灰色的部分。这样不仅可以加工出这样一个难度较高的零件，重要的是，全程没有一点支架材料的产生。参见图3。这种类型的零件，一直是FDM型3D打印机无法轻易加工出的零件。通过旋转底部平台，就可以很好的避免支架材料产生。参见图4。

图3 空间曲线悬臂梁弯管

图4 五自由度3D打印机加工过程

图5 A轴和C轴结构设计

为了实现这个功能，我们在原有传统FDM型3D打印机的基础上，保留其X轴和Y轴的传动结构，利用舵机和步进电机为其增加A轴和C轴的转动，实现了底部加热平台两个自由度方向的旋转。转动时为了保证平台的加热和测温，采用的是空心转轴，中间布线。采用集电环实现转动部件和静止部件间电流的传输。为了保证转动的稳定性，利用滚动轴承和止推轴承对转轴进行轴向和径向的定位。同时还改进了Z轴，利用四根丝杠使Z方向的托举更加精准稳定。从而实现了五自由度的运动。参见图5。

电路控制方面，我们采用Arduino MEGA 2560电路板和RAMPS 1.4端子板，自主编写了五自由度运动控制程序及对喷头和热床温度控制PID程序。为了方便调试和控制，我们利用labview软件的VISA模块与打印机进行串口连接通讯。从而搭建出人机交互界面，实现PID温度控制和五自由度的运动控制过程的实时显示。参见图6。

图6 人机交互界面

通过理论计算，上文提到的两个模型都可以在不产生支架材料的情况下完美打印出来，针对模型一，其材料可以节约55.18%，加工时间节约45.61%；模型二，其材料节约37.85%，时间节约32.82%，大大节约了3D打印的成本，提高了加工效率。参见图7。

图7 最后的成品实物图

综上可见，我们的五自由度FDM型3D打印机不仅能够适用于复杂的空间管道和中空内腔零件的打印，并且在打印过程中由于没有支架材料的产生，节省了大量时间成本、材料成本、以及后处理过程中的人力成本。当前中国的制造业正走在崛起的道路上，先进制造、智能制造是我国制造业未来发展的趋势所在，希望此次萨驰杯中优秀的参赛作品能够为国家的先进制造进程献力。

（R-01）

TP23

1009-797X（2015）23-0063-04

B

10.13520/j.cnki.rpte.2015.23.016

曹晟（1994-）男，就读于上海交通大学机械与动力工程学院热能与动力工程专业，大四学生，目前主要从事能源监测与管理方向的研究。

2015-10-28