桌面型FDM 3D打印设备的优化设计与精度分析

张文君，方辉，袁泽林，黄纪刚，董秀丽



桌面型FDM 3D打印设备的优化设计与精度分析

张文君，方辉*，袁泽林，黄纪刚，董秀丽

（四川大学 制造科学与工程学院，四川 成都 610065）

目前市面上桌面型FDM 3D打印设备种类繁多，受到结构稳定性、熔融温度、环境温度等多重因素的综合影响，其打印精度差异明显。为了提高打印精度，对某一桌面型FDM 3D打印设备影响精度的相关缺陷进行了分析，并对设备的箱体结构、运动系统机械结构、运动控制部分等方面进行优化设计。对设备优化设计前后的打印件精度进行了对比分析，相关数据表明，改进后的设备打印精度得到显著提升，相关技术内容对提升FDM 3D打印机打印精度具有实际意义。

桌面型FDM 3D打印设备；机械结构改进；运动控制；共振；精度

近年来，随着3D打印技术的发展，基于各类工艺的3D打印技术及设备相继被研发并逐渐推入市场，其中基于熔融沉积成型（Fused Deposition Modeling，FDM）工艺的3D打印技术发展尤为迅速[1]。FDM 3D打印技术的工作原理是将打印材料加热至熔融状态并从喷嘴挤出，喷嘴根据实体水平截面形状选择性涂覆实体材料或支撑材料，使熔融态材料逐层堆积，最终形成目标实体。FDM 3D打印设备由箱体结构，控制、、方向运动的机械结构，喷射结构，控制部分组成[2]，打印耗材包括PLA、ABS等。

目前FDM 3D打印设备市场发展迅速，但设备打印精度普遍偏低。本文选取其中一种桌面型FDM 3D打印机（以下简称X型FDM 3D打印机），对其进行实验研究。分析其机械结构及控制部分存在的缺陷，逐步改进，达到提高设备打印精度的目的，从而进一步提高设备性能。

1 X型FDM 3D打印设备缺陷分析

X型FDM 3D打印设备机箱为半封闭式结构，由螺钉连接钣金件制成；其运动系统机械结构中，、方向为同步带传动，光杆导向；方向由丝杠螺母传动，光杆导向；打印工作平台由三角形平台基座和玻璃打印平台构成。设备实物如图1所示。

图1 X型FDM 3D打印设备

经反复实验发现，该X型FDM 3D打印设备存在如下缺陷：

（1）机箱结构易引起共振，装配基准精度较差[3]，易引起系统误差；

（2）运动系统结构运动精度较低、摩擦阻力大，增大了系统误差；

（3）打印工作平台缺少温度补偿装置，打印件易出现错移、翘曲等问题。

因此，本文对该X型FDM 3D打印设备机械结构及控制部分中，影响打印精度的因素进行分析并逐一优化，比较设备改进前后打印件精度的变化。从机械结构入手，先对设备箱体结构进行优化，并基于此结构优化运动系统结构，再对打印平台结构进行优化，最后完成控制部分的优化，分别测量设备每一次改进前后打印件的相关尺寸，整理数据并进行精度误差分析。

2 X型FDM 3D打印设备的机械结构优化设计及精度分析

2.1 X型FDM 3D打印设备机箱结构优化设计及精度分析

X型FDM 3D打印设备其机箱各部分采用螺钉连接，不能起到定位作用，装配基准精度差，且该种结构的机箱互换性低。其驱动装置和运动系统结构固定联接于半封闭式机箱的侧板和底板上。由于打印参数的限制，设备运行时，控制、方向运动的两个步进电机频率接近，易产生共振[4]。同时，运动系统中同步带传动方式、同步带张紧程度、丝杠与光杆加工精度和刚度等要素，也会引起振动。各结构引起的振动共同作用于机箱，故设备工作时振动明显，打印平稳性和打印精度较差。因此，针对上述缺陷，对机箱结构进行优化设计。选取开放式铝型材框架结构[5]，其具有以下优点：

（1）铝型材是标准件，互换性强，后期加工工序简单，方便装配与校核，缩短生产周期；

（2）铝型材框架机箱体积小，振动传递的固态介质少，可以有效地降低振动对整台设备的影响；

（3）机箱基座占地面积小，基座底部平面度高，平稳性好；

（4）机箱采用开放式框架结构，方便打印平台调平和打印机的后期扩展与维护工作[6]。

对改进前后的FDM 3D打印设备分别进行打印实验，设定目标打印件为＝40.00 mm、＝5.00 mm的圆柱，记录两台设备打印出的六个打印件的相关尺寸，并进行对比分析，如表1所示。

表1 X型FDM 3D打印机改进前后的打印相关尺寸

由图2分析可知：优化后的FDM 3D打印设备打印出的零件误差相对稳定，离散程度较小，且误差更接近于零值，故采用开放式铝合金框架机箱，可以提高设备稳定性，进而提高打印精度。

图2 改进前后设备打印件误差对比柱状图

2.2 FDM 3D打印设备的运动系统机械结构优化设计及精度分析

2.1节中FDM 3D打印设备其方向二维运动运用同步带传动，光杆导向；方向运动运用丝杠螺母传动，光杆导向。在打印过程中，同步带往复运动频繁，发热后易产生跳齿现象[7]，导致设备振动明显，进而影响打印精度。

（1）方向传动装置的优化

优化设计时FDM 3D打印设备、方向运动机构均选用滚珠丝杠、滚动螺母传动，并配以滚动导轨导向。该传动方式和导向装置稳定性良好，有效避免了同步带跳齿引起的精度问题，该结构依靠滚珠丝杠和滚动导轨较高的加工精度、刚度以及良好的装配平行度来保证机器的运动精度。

将滚珠丝杠和滚动导轨配合使用，可有效减小喷射结构运动时的摩擦阻力，同时还能减小步进电机的负载。滚珠丝杠较于普通丝杠精度更高[8]；滚动导轨精度高，摩擦阻力小；滚珠丝杠和滚动导轨刚性好，可有效降低振动和噪音，在提高打印精度方面效果显著。

（2）方向传动装置的优化

方向运动机构选用滚珠丝杠和滚动螺母传动，光杆导向。一根滚珠丝杠和三根光杆分别安装于设备打印平台的四角。滚珠丝杠和光杆较高的加工精度、刚度以及良好的装配垂直度有效保证了打印平台向运动的垂直度和稳定性。

该结构使得滚珠丝杠和光杆受力均匀，消除了上述设备因工作台悬臂产生的力矩。滚珠丝杠与光杆刚性、精密度良好，有效降低了Z向运动的摩擦阻力，减弱了工作台的振动，提高了工作台的运动精度与平稳性。

对上述改进前后的FDM 3D打印设备分别进行打印实验，设定目标打印件为＝40.00 mm、＝5.00 mm的圆柱，记录两台设备打印出的六个打印件的相关尺寸，并进行对比分析，如表2所示。

表2 圆柱打印件直径及误差（一）

由表2分析可得，改进后设备打印零件的尺寸误差平均值缩小到0.10 mm，图3表明改进后设备打印件尺寸误差值波动范围更小且相对平稳，可见运动系统结构优化对打印精度的提高极其重要。

图3 2.1节设备改进前后打印件误差对比柱状图

2.3 FDM 3D打印设备的打印工作平台结构优化设计及精度分析

上述经优化的FDM 3D打印设备其打印工作平台由三角形平台基座和玻璃打印工作平台构成。玻璃材质平台易碎，不便于安装；因玻璃光洁度高，在打印过程中，零件基层固定不牢，易产生错移、翘曲等现象[9]，致使打印件出现明显误差，甚至无法成形[10]。

为提高设备的性能,本文对打印工作平台的结构进行以下改进：

（1）选用铝板作为打印工作平台，铝板强度高、挤压变形微小，降低了机器故障时打印工作平台的报废率。

（2）工作平台基座选用镂空的矩形铝板材，镂空结构易于固定打印工作平台与热床，同时使热床底部散热良好，避免了预热不均的现象。

（3）打印工作平台表面粘贴美工纸，该美工纸具有粗糙度适宜、互换性强、价廉环保的优点，有效解决了打印件基层粘接不牢、错移、翘曲等问题。

（4）在打印工作平台与基座之间安装温度补偿装置——热床[11]，使打印件预热均匀，粘接牢固，减轻了错移、翘曲等现象，提高打印件成型率。

对2.2节的FDM 3D打印设备于改进前后分别进行打印实验，设定目标打印件为＝40.00 mm、＝5.00 mm的圆柱，记录两台设备打印出的六个打印件的相关尺寸，并进行对比分析，如表3所示。

表3 圆柱打印件直径及误差（二）

由表3分析可得，打印工作平台结构改进后该设备打印出的零件尺寸平均误差减小。由图4可知，增设热床后，零件尺寸误差总体呈现减小趋势，误差值波动稍大。故热床的温度补偿效果显著，对提高打印件精度起到了积极作用。观察打印件形状可知打印件翘曲程度改善明显。

图4 2.2节设备改进前后打印件误差对比柱状图

3 FDM 3D打印设备的控制部分优化设计及精度分析

上述FDM 3D打印设备其控制部分选用开源的控制主板，、、方向均采用单个步进电机驱动控制，程序较为简单。该主板能够实现打印操作全过程，但运行过程稳定性较差，易出现故障。电流脉冲信号识别精准度低，步进电机丢步频繁，严重影响了打印精度[12]。核心控制芯片运行和处理算法速度慢，影响了机器操作指令下达速度，从而降低了机器工作效率。

经改进，新设备、、方向单电机驱动的控制程序设计更加精细，优化性更好。控制板选用MPC4730 V3.0型，其核心控制芯片型号为STM32F407 VET6[13]。该控制板有如下优点：

（1）同时设置了SD卡槽和USB接口，打破了外接设备的局限性；

（2）该控制板对驱动器进行细分，提高电机运转时对每一个电流脉冲的分辨率，以减弱或消除步进电机的低频振动，提高设备打印精度与平稳性[14]；

（3）32位的核心控制芯片计算能力强，运行速度快，发热现象不明显；

（4）在算法中对电机轴运动的加速度、速度策略进行了优化[15]。

对2.3节的FDM 3D打印设备于改进前后分别进行打印实验，设定目标打印件为＝40.00 mm、＝5.00 mm的圆柱，记录两台设备打印出的六个打印件的相关尺寸，并进行对比分析，如表4所示。

图5 2.3节设备改进前后打印件误差对比柱状图

由表4和图5可知：安装新控制板的FDM 3D打印设备打印出的零件尺寸较接近打印目标件尺寸，绝对误差稳定，且误差值更小，显著提高了打印精度。

所有优化设计工作完成后的FDM 3D打印设备实物如图6所示。

4 结论

通过对机箱结构、运动系统结构、打印平台结构以及控制部分进行优化设计，优化后的FDM 3D打印设备其运动系统机械结构保证了运动的平稳性；打印平台结构的优化提高了打印件的成型率。FDM 3D打印设备的稳定性、工作效率有了明显提升，打印件误差波动范围明显缩小，误差值趋于稳定，设备打印精度有了显著提高。后续工作将更深入地研究温度、运动特性、装配质量以及打印工艺对打印精度的影响，并提出相应的优化策略。

图6 优化设计工作完成后的FDM 3D打印机

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Optimization Design and Precision Analysisof Desktop FDM 3D Printing Equipment

ZHANG Wenjun，FANG Hui，YUAN Zelin，HUANG Jigang，DONG Xiuli

( College of Manufacturing Science and Engineering,Sichuan University,Chengdu610065,China)

There are many different kinds of desktop FDM 3D printing equipment on market now. Affected by combination of multiple factors, such as the structure stability、the melting temperature and the environmental temperature, the equipments are varied in printing precision. The paper analyzed the related factors which had bad effect on the desktop FDM 3D printing equipment printing precision ,optimized the box structure, motor system mechanical structure, motion control system, collected experimental data which represent un-optimized or optimized desktop FDM 3D printing equipment printing precision. By comparison, the experimental data turn out that the optimized desktop FDM 3D printing equipment make great progress in printing precision. And the optimization design is of practical significance to promoting the printing precision of desktop FDM 3D printing equipment.

desktop FDM 3D printing equipment；improvement of mechanical structure；motion control；resonance；precision

TP334.8

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.01.002

1006－0316 (2018) 01－0005－06

2017－05－22

国家自然科学基金（51175356）；四川大学新世纪高等教育教学改革工程研究项目（SCUY7067）

张文君（1990－），女，湖北襄阳人，硕士研究生，主要研究方向为FDM 3D打印机优化设计及FDM 3D打印耗材加工设备结构设计。

通讯作者：方辉（1973－），湖南岳阳人，博士，副教授，主要研究方向为3D打印设备开发及数控机床热误差分析与补偿、精密加工技术及装备等。