智能双色3D打印机设计

2018-10-30张润五郭鹤

科技与创新 2018年20期

张润五，郭鹤

智能双色3D打印机设计

张润五，郭鹤

（郑州科技学院机械工程学院，河南郑州 450064）

3D打印技术是当前先进制造业中较为成熟的增材制造技术，能够有效弥补传统制造业中加工手段效率低、高能耗、重污染及人力成本高的缺点。现代机械加工行业应当积极引进3D打印技术，充分发挥该技术高精度、高质量等优势，再基于市面上各种三维成型软件，建立复杂结构机械零件的数学模型，完成对机械零件的制作加工。旨在设计一款高效率、低成本的桌面级智能双色3D打印机。

3D打印；双混渐变色；笛卡尔坐标系；增材制造技术

1 概述

相比于传统机械制造行业车、铣、钳、焊、铸造等诸多传统加工工艺，先进制造中诸多先进加工工艺具有高效、节能、环保、高精度等诸多优势。3D打印技术属于先进制造行业中的快速成型技术，是以计算机建立数字模型，运用工程塑料或金属粉末材料，通过分层打印的方式来构造物体的一种增材制造技术。

2 双色3D打印机原理及结构

2.1 3D打印机原理

3D打印有多种方法，然而，应用最为广泛、成熟的是熔融沉积成型技术。该技术将热熔性材料通过特定的加热棒加热融化，通过喉管将材料挤出成0.1～0.4 mm的细丝，之后根据模型设定的G代码形成特定的行程轨迹，堆积细丝于热床之上，线动成面，形成特定形状的层面，同理完成第二个层面，通过层层堆积，面动成体形成所设定的3D模型。

2.2 3D打印机基本结构

2.2.1 型材机架

通过型材堆积来搭建3D打印机机架有许多优势：①价格低廉。在没有工业大批量生产的情况下，如果采用铸造或钣金作为机架，价格往往是型材组装的数倍。②容错性高。铸造或钣金机架在被加工出来之后由于其自身特性，当发生装配干涉等错误时，难以修改自身结构，型材由于自身特性易于修改自身结构，规避装配干涉。

2.2.2 主控电气柜

当步进电机驱动模块的电流使用率高于70%时，其发热量与振动将会急剧上升，由此会降低打印机架的使用寿命。这一现象在小型3D打印机上尚不明显，但基于大型3D打印机使用86步进电机外接大功率步进电机驱动需求，大型机的散热量与振动会成几何关系上升，此时，就需要设计单独的电气柜来避免精度降低。

2.2.3 模型成型平台

有一块400 mm×400 mm的铝板热床用以承载打印工件，可以沿轴上下移动，上覆同等大小的晶格板。晶格板是一种玻璃和复合材料覆盖的结合体，表面复合涂层加热情况下会体现出很强的黏性，当平台加热时，微孔膨胀，打印耗材会渗入微孔，耗材粘连于平台之上，而当温度降低至常温时，晶格板失去黏性，耗材可以被轻易取下。

2.2.4 传动机构

采用基于迪卡尔坐标系设计的新型同步带传动的机械运动结构，该结构具有更高的稳定性，运动更加敏捷，提高了打印效率，降低了机械故障的发生概率。

3 3D打印机硬件分析

3.1 打印机传动结构

3.1.1 打印机传动结构分析

该打印机的原理是通过2个电机同时控制的移动，当左右2个电机同向的时候，往轴移动，2个电机反向的时候往轴移动。2个电机的同时作用比单个电机控制一轴稳定，同时，能够减少1个电机，节约成本、简化结构。原理图如图1所示。

图1 CoreXY原理图

3.1.2 传动方式计算及校核

该3D打印机轴选取为1605丝杆传动，基于笛卡尔坐标系的传动则采用直线导轨与同步带传动。需要计算传动所需扭矩来选型步进电机以及步进电机驱动。

3.1.2.1轴丝杠传动所需扭矩

轴扭矩：

式（1）中：为驱动扭矩，kgf·mm；为轴向负载，；为丝杠导程，mm；为进给丝杠的正效率。

=+g，其中，为丝杠的轴向切削力，N；为导向件的综合摩擦系数；为移动物体质量（工作台+工件），kg；g为9.8.经测量得知轴承重4 kg，选用1605丝杠，因此=5，滚珠丝杠的通常为0.001～0.003，在此取极端情况0.01，丝杠正效率取0.94.

3.1.2.2同步带传动所需扭矩

直线导轨摩擦力计算公式为：

=×（+）+. （2）

式（2）中：为摩擦力，N；为摩擦力系数；为运动垂直方向负荷，N；为刮油片阻力，N。

直线导轨效率约为0.01，经测量得知导轨滑块所需承重为1 kg。选取的步进电机扭矩为1 N·m，因为同步带自身效率及外部支撑所带来的摩擦力，因此取同步轮传递效率最低为0.90.

滑块滑动所需力为：f=×（+）+≈5.2 N，拉=/×4≈10.94 N，拉＞f.

因此，电机扭矩满足传动要求。

3.2 步进电机驱动选型

该打印机使用的是2A、1 N·m的42步进电机，而该3D打印机使用5个步进电机驱动，其中2个步进电机用于轴传动，1个步进电机用于轴传动，2个步进电机用于挤出机。其中，用于轴传动的步进电机因为要保证电机2 A电流，而当步进电机驱动电流使用率高于70%时，发热量与颤动急剧上升，因此，选取额定电流4 A的TB6600步进电机驱动器。用于轴传动的步进电机因为有2个电机共用1个驱动，需要工作电流4 A，因此，选取额定电流为5 A的ATK-2MD4850 步进电机驱动器。

用于挤出机的步进电机因为并不需要过大的扭矩，因此，选用额定电流为2.5 A的DRV8825步进电机驱动。

4 3D打印机软件分析

4.1 3D打印机乐积主控板

该3D打印机采用当前市面上较为成熟的乐积S主板，该主板支持双头扩张模块，采用 STM32F4微处理器，是能够满足3D打印的一款高性能一体主控板，不需要更多的外接模块。该主控板可采用A4988、DRV8825或其他（可单独外接大功率步进电机驱动模块），驱动接口为4路16细分，支持由三维模型而计算出的G-code代码进行3D打印。该主控板支持双混色、电脑联机、WiFi控制、打印暂停保存、断电开机续打等功能。

4.2 STL模型文件

STL文件是在计算机图形应用系统中以三角网格来表现三维模型的一种文件格式，STL是最多快速原型系统所应用的标准文件类型，能够精确描述三维模型的几何信息，并不支持颜色材质等信息，是3D打印机支持的最常见文件格式。1个STL文件使用三角面来近似地模拟出三维模型的表面，经过有限元组合成特定的三维模型，当三角面越小，其分辨率越高。

4.3 双混色原理分析

该3D打印机采用E3D Cyclops型双色混合喷头，该喷头的混合腔较小，能够混合大部分流入混合腔的PLA材料，而要形成较为完美的混色效果，需要配置打印文件，大部分STL打印文件配置与常规机器相同，只有少许配置不同。可将挤出头配置成1个，添加2进1出的插件，修改2种材料的出丝比例，旨在控制2种颜色的混合比例，从而实现2种材料的混色效果。