一种笛卡尔坐标下的多功能3D 打印系统设计

杜 睿杨东狮宋顺富

(中国船舶集团有限公司第八研究院,江苏 扬州 225101)

0 引言

3D 打印是一种以数字模型为文件的快速成型技术,近年来3D 打印技术日渐成熟,因其具有节省材料、缩短生产周期等特点,故而被逐渐应用于产品制造、工程设计、生物医学、科学验证,甚至是航空航海、微波天线等各个方面。目前3D 打印机分为结构和三角洲结构,如图1、图2所示。在打印一点时,三角洲3D 打印机只需要3个反向叠加,而结构需要4个方向叠加。

图1 三角洲结构3D 打印机打印一点工作示意图

图2 XYZ 结构3D 打印机打印一点工作示意图

1 打印机机械结构设计

由于三角洲结构打印速度快、操作简单、加工成本低,便于野外应用,本文选用三角洲结构进行打印系统设计。该结构3个垂直轴上的滑块互相牵连制约,从而控制喷头在三维空间内精确打印。同结构打印机相比,三角洲结构空间位置依赖于函数关系,转换复杂。

如图3所示,连杆长度值可通过勾股定理确定,为等边三角形,根据三线合一性质,可确定点为的中心,在空间中===2/3,所以连杆长度即可确定。

图3 三角洲打印机工作示意图

喷头在打印机内部工作,滑块的空间位置变化依附于3个竖直轴,喷头和所有滑块通过长度相等的机械轴相接。坐标原点选为正三棱柱面边中点,为轴,为轴,轴过点垂直于面建立笛卡尔坐标,假设喷头口处位置坐标为(,,),、、各轴滑块面的垂直距离组成坐标(L ,L ,L ),各轴长,===2 m,===。将喷头位置坐标(,,)利用空间几何关系转成滑块位置坐标(L ,L ,L )。

2 系统总体设计

本文设计打印机工作流程,如图4所示。通过切片软件对模型进行切片,转换为G-code 代码,在切片时要设置好打印参数,打印机通过USB口读取上位机指令或通过SPI口读取SD 卡数据,信息正确后,温度控制电路启动,喷头、打印床开始预热,当喷头温度大于设置温度后,电机、挤出机复位初始化;收到主控制器的指令后,垂直方向电机同步转动,将喷头下降至刚与打印床接触后,挤出机与轴3个电机同时开始工作。

图4 打印机工作流程

为实现上述工作,如图5 所示,控制系统采用220 V 交流电或12 V 蓄电池供电,以ATmega 2560加扩展板RAMPS1.4作为主控制电路,通过USB口与PC机连接进行数据通信;SPI接口读取SD卡里的3D 打印模型、打印数据;通过温度控制电路控制加热床和挤出机喷头中的加热装置加热。温度传感器MLX90614经过模/数(A/D)转换后将加热床与挤出机喷头的实时温度传送至主控制板2560,以便检测和控制温度;步进电机驱动电路通过传送至步进电机的脉冲个数的不同来控制其角位移量,同时步进电机转动的速度是通过不同脉冲频率而产生。而步进电机的动作控制着螺旋轴的运动,3个方向的螺旋轴共同控制着喷头的移动方向,从而通过主板控制步进电机的转速及角位移量,即可达到对喷头调速与准确定位的目的;行程轨迹电路通过复位开关控制起始点校准及各个方向的运动距离。

图5 3D 打印机系统控制总图

其中主控制器ATMega2560采用USB接口的核心电路板,它具有多达54路数字输入输出(其中用于PWM 输出的为16 路),模拟输入为16 路,UART 接口 为4 路,16 MHz晶体振荡器、电源插座、USB 口、ICSP header和复位按钮各一个。控制板如图6所示。

图6 ATMega2560控制板

参照G代码标准定义的运动形式,在上位机中对Configuration.h 配置主板类型为 ATMega2560 配置打印机主板与上位机波特率为115 200 bps。

3 步进电机系统设计

轴和挤出机驱动芯片均采用A4988 步进电机驱动模块,A4988 包括一个固定关断时间电流稳压器,该稳压器可以在慢或混合衰减模式下工作。、、通 过42 系列步进电机带动Allegro 带转换器转动,从而带动传送带运动,实现喷头在三维空间中运动。步进电机驱动电路如图7所示。

图7 步进电机驱动电路

在ATMega2560中,7脚为电机步进STEP,8脚为电机方向DIR;本文挤出机所在的轴称为轴,不同于文中打印机轴,文中打印机轴包含打印机垂直方向3个电动机,假设ATMega2560电路板的驱动细分为1/,步进电机步距角为,如图8所示,假设双线丝杆导程为:

图8 电机丝杆示意图

式中:为螺纹的线数;为螺距。

步进电机旋转一周需要的脉冲信号为:

轴上升或者下降每毫米需要的脉冲信号为:

本文采用1/16驱动细分的ATMega2560电路板驱动步距角为1.8°的步进电机,步进电机旋转一周就需要3 200个脉冲信号。步进电机以一个双头螺距2 mm 的丝杆为轴,这样的丝杆导程为4 mm,因此每毫米轴上升或者下降,需要3 200÷4=800个脉冲信号。

当然在Configuration.h中,会给出4个轴的分辨率(分辨率:在真实世界中前进1 mm,所对应的步进电机步数)。

4 喷头系统设计

该打印系统保留传统3D 打印机喷头,喷头中安装MLX90614红外温度传感器如图9所示,可打印PLA、ABS 以及相应特质复合材料,采用了MLX90614红外温度传感器监测打印机表面的温度。MLX90614作为红外温度模块与被测物品不直接接触,其内部主要由低噪声放大器、A/D 转换器、数字信号处理(DSP)单元组成,因此其温度分辨率和测量精度较高;对打印机热床的温度进行精确测量,防止打印机热床上温度过高或者过低。相对于简单控制模式(无控制参数,当加热器温度小于目标温度就打开,反之就关闭),该打印机采用PID 温度控制模式(算法)。而PID 模式(PID controller,比例-积分-微分控制器)是历史悠久的温控方式,相比于简单控制模式,PID 模式温度更加稳定。

图9 3D 打印系统挤出装置和喷头

用MLX90614 采集温度,开关控制调节电流,便于控制喷头和温床不同温度;在Configuration.h中配置主喷头设置为单喷头,其余喷头不选择,故在配置温度时,可配置也可忽略。具体配置参数如下:

5 应用实例

3D 打印在天线行业有许多应用,西安某研究所设计了一款复杂的喇叭发射天线,由于该天线喇叭口相互交错分布,相邻间距小,形状独特,传统的铸件加工难以完成,采用3D 打印工艺可缩短周期,降低单件成本,在实验应用中效果良好。

文献[20]是一种直接金属激光烧结(DMLS)打印金属制作的喇叭天线,该喇叭天线为X 波段,以10.0 GHz为中心频率。如图10所示,采用3D 打印使金属片穿孔,包含了整个X 波段,减小了传统工艺制作的体重,缩短了周期,为轻质波导组件和天线制作提供了新途径。

图10 穿孔喇叭的几何形状

本文使用3D 建模软件Solid Works对某电磁定位系统0.38～2 GHz频段建模,如图11 所示。左图为某侦察系统0.38～2 GHz波段天线建模图;右图为利用该打印系统对相应建模图的打印仿真图。该电磁定位系统由腔体、FR-4板材螺旋面、支柱和天线盖构成。应用本文所设计的3D 打印系统对其进行仿真切片,其中喷头半径、填充密度及打印机相关打印参数如表1所示。利用该3D 打印系统模拟打印,研究打印时间与质量。该打印系统对某电磁定位系统0.38～2 GHz频段的理论打印质量为2.725 kg,传统模具铸造质量=5 kg,约为传统工艺质量的一半。打印时间约为16 h,节省了时间,提高了打印效率。

图11 某波段天线罩模拟建模与打印图

表1 某电磁定位系统打印参数

6 结束语

本文讨论了笛卡尔坐标下三角洲打印机运动方程与喷头空间坐标,在该坐标系下,针对战场上迅速隐藏、保护自身、欺骗敌方的需求,设计了一款多功能3D 打印系统。该系统以ATmega 2560 作为核心处理器,用A4988驱动步进电机和挤出机,采用模糊PID 控制算法,更加稳定精确地控制温度;采用吸盘模块与轴连接,并用该系统对某电磁定位系统0.38～2 GHz频段建模及仿真打印。与传统工艺相比,该系统缩短了生产周期,节省了原材料,仿真质量约为传统工艺铸件质量的一半,同时也为军用伪装、外场快速修补提出一种新思路。