基于FDM工艺的桌面级3D打印机的设计*

施绍宁，艾致祥，庞学林

(陕西理工大学 机械工程学院,陕西 汉中 723000)

0 引 言

熔融沉积成型技术是将丝状热熔型材料加热熔化，然后通过打印机喷嘴挤出，在计算机程序数据处理下控制打印喷嘴，将材料选择性地涂布在工作面上并迅速冷却形成一层三维模型数据的横向截面特征。第一层形成后，控制打印喷头上升一个高度(即每层厚度) ，然后形成下一层，直到整个三维模型形状形成。其优点成本低廉，操作简便，原型尺寸稳定性高，不会受潮变形，所用材料无毒性，不产生异味、粉尘、噪音等污染，适宜在办公室环境安装使用；桌面级打印机更多的是面向高校、个人，制造简单小型零件与工艺品。基于FDM工艺考虑桌面级打印机的打印精度、运行平稳性以及成本，笔者提出三坐标联动式结构设计方案，通过丝杠导轨机构和连杆机构精确控制打印喷头在一定空间内移动，优化以往打印机误差累计问题，为3D打印机结构提供设计参考。

1 设计思路

1.1 成型原理

FDM熔融层积成型技术由美国一名专家Scott Crump在1988年研究成功，其材料主要以石蜡、金属、塑料、低熔点合金丝等丝状材料为主[1]。而基于FDM工艺的3D打印主要由三部分组成，即三维处理模块、控制模块、执行模块[2]。三维处理模块主要是使用3D建模软件进行3D模型构建，模型由专业分层软件进行切片，控制模块和执行模块由计算机及控制芯片根据每层的截面信息控制打印头在每层高度加热和熔化材料，通过在每层高度内控制打印喷头，打印喷头根据3D模型选择性地将材料通过喷嘴冷却挤压到工作表面，迅速形成一个逐层的横截面，逐渐形成整个实体，打印实体可以直接从表面取出。

1.2 结构方案

设计箱式桁架结构的3D打印机，能够提高打印机稳定性和加工精度。使用2020铝型材质的金属桁架作为打印机框架结构材料，底板、侧板及打印工作台选用轻质亚克力材料，其结构较轻，能够有效保证桌面级打印机的轻量化设计，且方便生产制造，降低成本；在平面内通过X轴和Y轴的丝杠导轨机构运行，其滑块通过连杆机构控制打印头固定平台移动，进而控制打印喷头在该平面内精确移动；在高度上Z轴的丝杠导轨机构运行，其滑块通过连杆机构控制打印头固定平台在Z轴方向上精确移动，打印喷头在三个方向(X轴方向、Y轴方向、Z轴方向)上的共同作用下，就可以在一定空间内精确的移动，再配合打印喷头工作，即可达到3D打印机工作要求[2]。

1.3 控制方案

利用专业的计算机软件将3D模型切割成若干层，并将数据加工成可由3D打印机系统识别的g代码文件，3D打印机系统对代码数据进行分析，驱动打印头在工作面上打印[3]。 打印一层后，打印头上升一层高度，然后根据该层横截面的特征再次打印，直到打印出模型的所有切片层，然后3D打印机fdm工艺打印模型即为完成，如图1所示。

图1 打印流程图

2 结构设计

2.1 总体结构

打印机主要结构包括X轴丝杠导轨机构、Y轴丝杠导轨机构、Z轴丝杠导轨机构、连杆机构、金属桁架、打印喷头、打印喷头固定平台、工作面、桁架连接件、调平装置以及底板和侧板。如图2所示，本设计以箱式金属桁架作为打印机机架，丝杠导轨机构中X轴丝杠导轨机构水平固定于桁架背部侧板上方中间；Y轴丝杠导轨机构于桁架底板右侧中间垂直于侧板固定；Z轴丝杠导轨机构于桁架背部侧板左侧中间垂直于底板固定；所述三处固定的丝杠导轨机构的丝杠在空间上始终两两垂直；三套连杆机构始端均连接有连杆底座，连杆底座分别固定于丝杠导轨机构的滑块上，随滑块沿所在的丝杠方向随步进电机驱动丝杠而移动，三套连杆机构末端均活动连接打印喷头固定平台上三处连杆连接位置，即可保障打印喷头固定平台始终处于水平状态；打印喷头固定平台中心靠固定螺栓装配打印喷头。

图2 打印机结构示意图1.桁架 2.X轴导轨底座 3.X轴光轴(两个) 4.X轴丝杠 5.X轴滑块 6.X轴连杆底座 7.X轴第一连杆 8.X轴第二连杆 9.X轴联轴器 10.X轴步进电机 11.桁架连接件 12.打印喷头固定平台 13.Y轴第二连杆 14.Y轴第一连杆 15.Y轴导轨底座 16.Y轴光轴(两个) 17.Y轴丝杠 18.Y轴连杆底座 19.Y轴滑块 20.Y轴步进电机 21.调平装置 22.工作台 23.工作面 24.工作台连接件 25.Z轴导轨底座 26.Z轴丝杠 27.Z轴光轴(两个) 28.Z轴第二连杆 29.Z轴第一连杆 30.Z轴连杆底座 31.Z轴滑块 32.Z轴联轴器 33.Z轴步进电机 46.侧板 47.底板 48.打印喷头

通过控制三套丝杠导轨机构的步进电机，从而驱动丝杠转动，使其上滑块沿丝杠方向移动，同时带动连杆机构运行即可控制打印喷头固定平台上打印头精确移动，三套丝杠导轨机构能使打印喷头在工作面以上的一定空间内精确移动，即可满足3D打印机打印头的主要工作要求。

2.2 各部分结构设计

如图 3所示，连杆丝杠导轨结构由丝杠导轨机构和连杆机构组成，丝杠导轨机构主要由步进电机、联轴器、丝杠、光轴以及滑块组成，主要作用是将电机输出的角位移转化成滑块移动的线位移并带动连杆机构有序的运动。连杆机构由连杆底座、第一连杆和第二连杆组成，连杆底座连接丝杠导轨机构的滑块与第一连杆之间，第一连杆和第二连杆之间由对锁螺丝连接，且它们之间可以相对运动，第二连杆末端和打印喷头固定平台连接，其主要控制打印喷头的运动。

图3 Y轴连杆和丝杠导轨机构 图4 工作台示意图 34.Y轴联轴器 35.M6螺钉螺母 38.调平螺栓 39.弹簧 36、37.M10对锁螺丝 40.调平螺母

如图4所示，工作台装置由工作台底座、工作台连接件、工作面、调平装置组成。工作台底座由工作台连接件通过螺栓螺母固定在底板上。调平装置主要由调平螺栓、调平螺母、弹簧组成，其主要保证工作面处于水平状态。

如图5所示，打印喷头包括送料装置、加热装置、挤出装置、喷嘴。送料装置是将材料输送给加热装置，加热装置则将加热材料融化，挤出装置将融化的材料输送给挤出喷嘴，喷嘴喷出进行打印。

图5 打印喷头示意图

3 系统方案

从FDM型3D打印机工作流程可以看出，机械系统和控制系统决定了3D打印系统的性能，一个合理的3D打印控制系统，对提升 3D打印机的整体性能具有决定性的作用[4]。通过三维切片软件将三维模型分层切片，将处理后的数据转换成三维打印机可识别的g代码，由打印机系统进行识别和处理，将各部分的信息指令发送到丝杠导轨机构各部分的步进电机，进行定位和校准信息处理，以及初始化，联合控制打印喷嘴在工作面上的精确定位，然后通过X、Y轴、Z轴丝杠导轨机构与操作控制打印平台的打印头定位打印。

创建3D模型，将3D模型导出到stl文件，使用stl文件作为3D模型数据存储格式，然后使用3D模型数据处理软件对3D模型数据进行切片，生成gcode文件，打印机系统识别gcode文件进行打印，将stl文件处理成不同的层，通过 usb 连接3D打印机和cura 实现在线打印功能，通过专业性切片软件导出gcode文件，并将gcode文件导入3D打印系统的存储器实现离线打印。如图6所示。

图6 成型过程框架

4 应用效果

此设计采用三坐标联动式结构设计方案，主要通过三台空间内相互垂直的丝杠导轨机构和连杆机构相结合来控制打印头准确移动从而实现打印，其中：X轴丝杠导轨机构可以控制打印头在X轴方向上移动；Y轴丝杠导轨机构可以控制打印头在Y轴方向上移动；Z轴丝杠导轨机构可以控制打印头在Z轴方向上移动；通过三组不同方向上的丝杠导轨机构(X轴方向、Y轴方向、Z轴方向)将步进电机输出的角位移转化成各个方向上的线位移(X轴方向、Y轴方向、Z轴方向)，在通过连杆机构输送给打印喷头，打印喷头在三个方向上的共同作用下，就可以在一定空间内准确的运动。运动的基本效果图如图7所示。

图7 主要机构运动效果图

此设计方案应用在3D打印机上，通过丝杠导轨和连杆相结合的运行方式可以降低打印头的打印误差，整个装置适用范围广，原理简单，操作方便，即使没有技术背景的用户也可以很快熟悉该3D打印机的使用，同时具有很大的创作空间，丝杠导轨与连杆的结合灵活性高，对于创意非凡的3D打印爱好者以及其他使用者，是很大的创意施展平台。

5 结 语

FDM工艺3D打印机适用领域广阔，使用简单，但FDM作为一种综合性技术，影响其打印质量和精度原因特点有很多，在成型过程中，优化工艺参数，针对制件大小、形状等不同，得出不同的工艺参数能更好地提高成型件的精度和质量[5]。只有将软件，控制系统，以及工艺打印设备相互结合起来才能提高整体打印效果。此基于FDM技术的桌面级 3D 打印机结构简单，采用三条独立的运动链控制打印头移动，其控制系统设计较为方便，通过对整体零部件的选材，降低了制造成本，较为适于教育、科研人员使用。