基于开源软硬件的多功能FDM型3D打印机研究与开发

刘磊，吴建

(1.新余学院机电工程学院，江西 新余 338004；2.芜湖职业技术学院，安徽 芜湖，241000)

0 引言

3D打印技术是一种增材制造技术，它将数字化模型切片分层，按照一定的截面轨迹，运用PLA、ABS、粉末金属、光敏树脂或者食品原料等材料，通过逐层打印，层层叠加累积的方式来建构实物，能够将人们的创意和想法迅速变成现实。它的出现，颠覆了传统的加工技术，无需机械加工或模具就能将数字化模型直接变成实物，极大地缩短了产品的生产周期，为个性化、小批量生产带来了便利[1]。目前，3D打印技术已广泛于汽车、航空航天、生物医疗、建筑、食品加工及文物修复等诸多领域，具有极大的市场潜力，势必成为未来突破性技术之一。

目前，常见的3D打印技术主要包括立体光固化成型SLA、选择性激光烧结SLS、选择性激光熔融SLM、三维印刷工艺3DP、熔融沉积成型FDM等。其中，FDM技术由于成本低、可选材料多、工艺简单等因素，受到众多DIY创客的关注，开发了多种多样的开源FDM型桌面3D打印机，让3D打印这个新兴技术真正走进了普罗大众。

针对目前国内外FDM型桌面3D打印机存在的打印精度不高、功能单一、打印速度较慢等问题，本文采用开源软硬件系统，设计开发了一台打印精度高、打印速度快、稳定可靠、挤出系统模块化的多功能FDM型3D打印机，具有一定的创新性和实用性。

1 3D打印机的机械结构设计

3D打印机的机械结构设计主要包括机身框架、运动系统、挤出系统等。

1.1 机架与运动系统

目前，FDM型3D打印机机型结构主要有Prusa i3（龙门架结构）、Ultimaker （十字轴结构）、Makerbot、Corexy等。考虑到不同挤出系统模块的更换便利性、可拓展性及方便升级维护，本设计采用开放式的i3结构。打印喷头完成Z轴和X轴方向的运动，打印平台完成Y轴方向运动，采用双z轴电机设计使打印头移动更加稳定。

常用的3D打印机运动系统传动方式有同步带+光轴、同步带+导轨和滚珠丝杆+导轨三种。为减少震动、提高打印精度和速度，方便维护，本设计XYZ三轴都采用滚珠丝杆+导轨传动方式[2]。由步进电机通过联轴器连接滚珠丝杆，带动丝杆转动，从而使丝杆上的螺母产生直线运动，再带动坚固在螺母上打印喷头或打印平台移动。各轴的运动范围由光电开关进行限制。3D打印机的结构如图1所示。

图1 3D打印机结构

1.2 挤出系统

为实现3D打印机的多功能化，本设计采用了两种挤出系统：线材挤出和气压挤出。可根据打印材料和应用场合的不同，随时更换，实现多功能打印。

线材挤出可打印传统的PLA、ABS等线材，实现概念模型、文化创意产品及机械零部件的制造。挤出部分选用MK8远程挤出套件，喷头部分选用E3D V6组件，喷嘴直径0.4 mm，采用加热棒加热，热敏电阻测温。如图2所示。

图2 线材挤出系统

气压挤出可用来打印巧克力等食材，还可应用于PDMS柔性传感材料的压电复合薄膜制备，为该材料的复杂结构制造、可穿戴电子器件及其监测元件的研究开发奠定基础。气压挤料系统由气泵、气动三联件（调压、过滤、干燥）、高频电磁换向阀（起气路开关作用）、点胶针头、点浇针筒（塑料和不锈钢两种材料）、针筒连接器及针筒支架组成。气动挤出系统原理图如图3所示。当需要打印时，电磁换向阀电磁铁通电（由继电器控制），左位工作，气体通过连接器进入针筒，将材料从针头挤出，打印在热床平台上。当空行程或无需打印时，电磁铁断电（由继电器控制），右位工作，针筒无气体进入，停止挤料。

图3 气压挤出系统原理与组成

3D打印热床平台选用MK3铝基板，尺寸310 mm×310 mm×3 mm，电压24 V。采用电热丝加热，热敏电阻测温。

2 运动系统传动零部件计算与选型

2.1 滚珠丝杆螺母副选型

本设计X轴、Y轴和Z轴滚珠丝杆的工作行程都为300mm，单向定位精度要求±0.05mm，查阅温州上煜传动科技有限公司相关技术资料，选用C7级精度等级，其导程误差为±0.05 mm/300 mm，符合设计要求。

为保证足够的刚度，丝杆外径选用16mm。

设计要求X轴、Y轴进给速度最大为120mm/s,根据公式:Ph=Vmax60/inmax可确定丝杆导程[3]。电机通过联轴器与滚珠丝杆直联，故传动比i=1，步进电机空载时最大转速nmax一般可达到1 000 r/min，带负载稳定运行时nmax一般可取500 r/min，将数值代入公式，可算得丝杆导程Ph=14.4 mm，故最终丝杆导程按标准定为16 mm。由于3D打印机Z轴是间歇式按切片时所设定的层厚上升的，对进给速度无过多要求，为保证传动时的精度和刚度，选用小导程Ph=5 mm。

确定以上丝杆的主要参数后，查阅温州上煜传动科技有限公司相关技术资料，最终X轴、Y轴选用该公司SFE1616-L500单螺母型大导程滚珠丝杆模组，Z轴选用SFU1605-L500型模组，精度等级都为C7级，总长度500 mm，采用一端支撑一端固定的安装方法，以保证一定的旋转速度和较高的定位精度，支撑和固定配套的轴承座型号分别为EF12和EK12。联轴器选用SYC30梅花系列型，与所选丝杆和电机配套。直线导轨选用HGH20HA四方型、超重负荷、滑块上锁式导轨，其中X轴导轨为一条，长460 m；Y轴导轨有两条，长460 mm；Z轴导轨有两条，长400 mm。

2.2 步进电动机的选型

首先对Z轴的步进电机进行选型。在本设计中估算Z轴所带负载（包括螺母座、滑块、固定板、X轴零部件及挤出系统）重量约为Mw=20 kg，丝杆重量为Mb=2 kg，丝杆导程Ph=5 mm，丝杆直径D=16 mm，摩擦系数（垂直安装时为1），机械效率，Z轴移动速度Vmax=80 mm/s，步进电机加减速时间为t=0.1 s。根据公式计算如下：

负载的转动惯量:

负载和丝杆加速时所需总转矩

步进电机所需的最大驱动扭矩为加速运行时的驱动扭矩，即：TZ=Tf+Ta=0.3 N.m

根据以上计算，本设计Z轴电机选用57HBP56AL4型步进电机，端面尺寸为57 mm，转矩为1.2 Nm，带有断电刹车抱闸功能，能够防止Z轴上的零件部件在断电后下滑，保证安全。在空载时电机转速能达到1 000 r/min，额定负载下加速后稳定在500 r/min左右。配套的电机驱动器选用DM-542，最大支持64细分，驱动电路类似伺服控制，使电机低速运动平稳，无震动和噪音，可实现一个驱动器带动2个Z轴电机，实现双Z轴电机的同步运行，保证挤出喷头系统的水平和稳定。

X轴、Y轴步进电机的选型计算方法同Z轴，也采用57系列步进电机，型号为MKS SERVO57B,保持转矩1.2 Nm，不带抱闸功能，采用广泛使用的DRV8825步进电机驱动模块。

3 3D打印机的控制系统设计

3.1 开源硬件

3D 打印机的开源主板根据其芯片分类主要有Arduino mega 2560、STM32、树莓派及ARM这四种。基于这四种核心，人们开发出了种类繁多，功能各异的3D打印机主板[4]。本3D打印机主控制板选用创客基地开发的MKS GEN_L主板。它将开源主板Ramps1.4和Arduino mega 2560集合到一块板子上，解决了Ramps1.4 组合接口繁琐、易出故障的问题；预留电机脉冲和方向输出端口，可外接DM-542等大驱动来驱动57系列、86系列等大电机，也支持 A4988、 DRV8825及TMC2100等常用驱动；最多支持5个电机。与主板配套的操控屏幕选用创客基地开发的MKS TFT35全彩触摸3.5"液晶显示屏，支持断电续打、断电保存、打完开机及WIFI等模块。

硬件都选择并安装好后，就可以进行接线了。包括电机相位线、电机驱动线、限位开并线、风扇接线、喷头和热床加热线、喷头和热床热敏测温线、电源接线及触摸屏接线等，将相应的接线头插入MKS GEN_L主板相应的卡槽位置即可。主板接线图如图4所示。

图4 主板接线图

3.2 开源固件

固件（firmware）是硬件设备的一种驱动程序，其作用是控制硬件来完成预期的设备功能，相当于PC电脑上的操作系统[5]。基于不同核心的开源主板往往对应不同的固件，如Sprinter 、 Marlin 、 Teacup 、OctoPrint及smoothieware等，每种固件都有其自身的特点，应根据3D打印机的功能要求选择合适的固件。

本设计选择使用非常广泛的Marlin固件。使用 Arduino IDE 打开 marlin.ino，切换到 Configuration.h 即可查看并修改该文件。主要需要修改配置的参数包括波特率、主板类型、挤出电机数量、挤出喷头数量、限位开关设置、喷头和热床温度配置、传感器配置、步进电机方向、XYZ轴和E轴挤出机每移动一毫米所需要的脉冲数及显示屏型号等。

以“XYZ轴和E轴挤出机每移动一毫米所需要的脉冲数”为例。本设计X、Y轴选用的57步进电机步距角是1.8°，细分数为16，那么 步进电机运动一圈就发生360/1.8×16=3 200个脉冲，X、Y轴丝杆导程为16 mm（即丝杆转动一周，丝杆螺母运动16 mm ），那么X、Y轴的分辨率为 3 200/16=200。Z轴丝杆导程为5 mm，那么Z轴的分辨率为 3 200/5=640。E轴挤出齿轮直径为10 mm，那么 E 轴分辨率是 3 200/( 10×3.14) = 101.86。如图5所示。

图5 固件修改与配置

固件修改好后，在Arduino IDE【工具】菜单中选择正确的主板型号和端口号，单击左上角的【上传】工具，就可将Marlin固件烧录到主板中。

4 结语

设计了一款基于开源软硬件的多功能FDM型3D打印机，利用UG软件完成了机架的结构设计，并对传动系统中滚珠丝杆螺母副和步进电机进行了计算选型。设计了线材和气压两套挤出系统，通过更换不同的模块，可轻松实现线材、食材及凝胶类材料的打印，以适应不同的应用场合，实现多功能打印。基于开源软硬件进行改造开发的，成本低，可拓展性强，性能可靠。