引言
3D打印是一項涉及光學、熱學、機械設計等學科，多位一體的先進制造技術[1]。對比傳統(tǒng)減材制造，3D打印技術是增材制造，即其是將粉末、絲狀等材料進行燒結或熔化后逐層堆積成型。目前，在3D打印領域，已有SLA、SLS、3DP等成型工藝成功應用。與以上技術相比，F(xiàn)DM工藝3D打印設備更具經(jīng)濟性和方便性，它不采用激光等復雜工藝，而是采用ABS、PLA等材料打印成型件，具有較高強度，因此在驗證、評估、測試等方面應用較廣。
1 3D打印機國內外研究現(xiàn)狀
20世紀末,Charles Hull研制出了第一臺商業(yè)3D印刷機。隨后，1993年，美國麻省理工學院取得3D印刷技術專利，其研究的成型技術主要包括SLA、SLS、LOM、FDM等。國外研究3D打印技術的公司主要有Stratasys、Z Corp、Objet及Envisiontec等，其打印技術發(fā)展較為成熟。
國內3D打印發(fā)展較晚，自20世紀末期開始，以清華大學、華中科技大學、西安交通大學、北京航空航天大學為主的各大高校對3D打印技術、打印材料、打印軟件及其應用領域進行了積極探索和研究,并進一步開發(fā),其中部分新型技術已面向世界,取得了一定成效?；诟鞔蟾咝?D打印的研究成果,目前已有多家3D打印設備的生產(chǎn)加工公司,主要包括北京殷華、陜西恒通智能機器、湖北濱湖機電等[2]。
2 FDM技術3D打印機成型原理
FDM型3D打印機主要由工作平臺、送絲裝置、加熱噴頭、耗材存儲裝置和控制系統(tǒng)組成[3],其耗材主要為熱塑性材料,如ABS、PLA等。工作原理是通過擠出機將絲狀原料送入熱熔噴頭,打印頭加熱塊將材料加熱熔化,然后從噴頭擠出,打印頭按照產(chǎn)品切片輪廓路徑運動,將擠出的半流動熱塑材料反復逐層堆積成型,如圖1所示。
3 FDM技術存在的缺陷及其解決方案
市面上FDM技術成型設備所打印產(chǎn)品常存在表面粗糙度高且致密度低的缺陷，其精度與速率也需不斷優(yōu)化和改善。針對上述問題，本設計主要從結構和工藝參數(shù)兩方面展開優(yōu)化研究，通過優(yōu)化3D打印機的結構設計，選取最佳工藝參數(shù)組合，最終提高3D打印機的打印精度和市場價值[4]。
（1）機械結構：本設計采用XYZ結構，其具有結構穩(wěn)定可靠、維護容易、空間利用率高等優(yōu)點，且由于電機安裝在機架上，減輕了XY平面電機重量，可實現(xiàn)較高的打印速度和精度。
（2）尺寸：本設計計劃采用350 mmx350 mmx 330 mm熱床，打印空間大，可打印較大產(chǎn)品。
（3）參數(shù)：FDM技術產(chǎn)品表面質量和力學性能很大程度上取決于打印參數(shù)的設定，但影響FDM成型質量的工藝參數(shù)繁多，最佳工藝參數(shù)組合難以確定，所以采用正交實驗進行測試。
4 FDM技術3D打印機設計
4.1機械傳動結構設計
本機采用XYZ結構，打印頭做XY的復合運動，以4個電機同時控制X、Y的復合平面在Z軸運動，打印平臺固定在機器底部，以提高傳動結構的空間利用率，同時具有更高的打印速度與精度，故選擇core Xy結構為本次設計的機型。core Xy結構穩(wěn)定可靠、維護容易、空間利用率高，且電機安裝在機架上，減輕了XY平面上電機重量，可實現(xiàn)較高的打印速度，其運動結構如圖2所示。
4.2同步帶、同步帶輪設計
本機采用圓弧齒形帶，減少齒形帶滑動可能性以及反轉時的反沖力，同步帶與帶輪齒嗤合>6齒，故同步帶輪最小齒數(shù)為12，一般最小齒數(shù)在15以上。步進電機驅動同步帶輪轉動，同步帶輪齒數(shù)越多，直徑越大，也就是步進電機單位步數(shù)下同步帶的位移越大，間接影響3D打印機的精度。綜合考慮，2GT同步帶最為合適，具體參數(shù)如表1所示。
為確保步進電機的轉動安全和振動、噪聲，步進電機的轉速N<3 r/s，打印機的打印平均速度為50 mm/s，代入下式求步進電機轉速：
4.3控制系統(tǒng)設計
本機選擇控制系統(tǒng)性價比較高的42步進電機作為動力元件，如圖3所示，其中低功率加熱棒為噴嘴加熱供熱元件；熱床采用1Ω電阻絲，以12 V直流電對其進行加熱；X、Y方向以限位開關進行行程控制，Z方向則以紅外傳感器來控制行程。主控制板選擇將Arduino Mega2560、RAMPS1.4集合在一塊板子的集成板MKS Gen-L上，它采用可插拔驅動模塊，兼容4988驅動器、8825驅動器以及TMc2100驅動器；使用開源固件Marlin。接線如圖4所示。
4.4總體框架與總裝設計
本機采用鋁材框架外殼，依靠盲孔來組裝，是一種低成本和較高剛性的裝配方法，有連接強度高、承載能力大等優(yōu)點。據(jù)打印機最大成型尺寸及其他零部件裝配占有空間尺寸，最終計算所需2020鋁型材為Z軸4根530 mm、X軸與Y軸各4根470 mm，均由M5螺釘安裝連接。
如圖5所示，整機設計為兩倉結構,上層為打印倉,用透明亞克力板對其進行密封,保證操作者在打印過程中能夠清楚觀察到打印機的運行情況；下層為控制倉,為打印機電源、控制板等零部件提供位置,保證了布線安全的同時也提高了整體機型美觀性。
5 FDM成型工藝3D打印機打印實驗及工藝參數(shù)研究
完成打印機的機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)設計后,對本打印機進行裝機,實物如圖6所示。
此次實驗采取脫機打印方式,考慮到成型精度是當前3D打印技術返需突破的瓶頸,也是未來發(fā)展的研究方向,本次打印材料選擇PLA,這是一種生物降解材料[5]。為了提高測試效率,采取正交實驗進行測試。測試件為20 mmX10 mmX1 mm長方體,打印參數(shù)填充值設為100%。另選擇打印速度、熱床溫度、打印溫度、分層厚度4個正交實驗因子,設計4因子3水平的正交實驗薄壁材料打印參數(shù)?？紤]材料性能與本機配置,參數(shù)設置在如表2所示的范圍較為穩(wěn)定。
根據(jù)以上打印參數(shù),通過正交實驗打印測試件共9件，然后用游標卡尺對打印測試件X方向和Y方向的數(shù)值進行測量，如表3所示。
基于表3數(shù)據(jù)，生成誤差分析圖，如圖7所示。
對X方向的誤差進行正交分析，如表4所示。
根據(jù)結果可發(fā)現(xiàn)各類參數(shù)對打印效果的影響，考慮PLA打印收縮率，對X方向誤差影響排序為：分層厚度>打印速度>熱床溫度>打印溫度。
對Y方向的誤差進行正交分析，如表5所示。
根據(jù)結果可發(fā)現(xiàn)，Y方向的誤差數(shù)值大約為對應X方向數(shù)值的1/2，對誤差影響排序為：分層厚度>打印速度>熱床溫度=打印溫度。
由實驗可知，溫度對產(chǎn)品XY平面打印尺寸存在一定影響，溫度越高則單位時間內噴頭擠出絲材越多，產(chǎn)品尺寸越大，200節(jié)打印時產(chǎn)品與設計尺寸最為接近。打印層厚是影響產(chǎn)品精度的最主要因素，層厚精度越高誤差越小。打印速度越快，噴頭擠出的絲材越細，打印的尺寸也越小，打印速度為40 mm/s時，產(chǎn)品尺寸最接近設計時的數(shù)據(jù)。另外，觀察測試件表面，并無裂紋和比較明顯的翹曲，體現(xiàn)了PLA收縮率低的特性。根據(jù)上述數(shù)據(jù)分析，選取實驗最優(yōu)參數(shù)如表6所示。
6結束語
本機結合市面上FDM技術3D打印機的特點進行了創(chuàng)新設計—封閉空間提供穩(wěn)定基座并很好地降低了外界氣流和溫度的影響；XY軸傳動系統(tǒng)則采用同步帶式直線導軌傳動裝置，極大地減輕了機身重量，提高了定位精度和運行速度；同時，Z軸打印平臺升降結構采用了4根直線導軌運動裝置，承載能力與定位精度都有了極大的提高，保證了運行時水平穩(wěn)定，在一定程度上解決了打印效率低、成型精度差等問題，可彌補國內FDM桌面型3D打印機的不足，為其更高效便捷的市場化奠定基礎。
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