FDM技術下的3D打印機機械結構和控制系統設計探討

摘要：本文研究FDM技術支持下的3D打印機設計策略。使用步進控制精度在0.002mm的絲杠滑塊+步進電機的核心坐標控制系統，使用分別使用1組絲杠控制X軸和Y軸的定位，使用2組絲杠控制Z軸的定位，使用3組FDM擠出系統控制彩色打印過程，在探討了坐標控制算法和冷卻成型算法后，本文設計了一種包含7個執行機構且有LED綜合狀態顯示功能的3D打印機機械結構和控制系統。本文認為，通過對算法進行革新，提升對步進電機的控制策略，增加驅動程序可識別的3D模型文件種類，對FDM材料的成型過程進行進一步優化控制，是未來FDM技術支持下的3D打印機重點發展方向。

關鍵詞：FDM;3D彩色打印;機械結構;控制系統

中圖分類號：TP334.8?? 文獻標識碼：A?? 文章編號：1672-9129（2020）16-0049-01

1 引言

FDM技術是當前最為常用的中低端3D打印機技術，也是最接近桌面端應用需求的3D打印機技術。通過將熔融的聚合物擠出并可控冷卻，在沉積底盤上實現可控堆積，從而構建出打印精度達到±0.3mm且工件尺寸超過100mm的桌面級3D打印機系統，這一系統已經被諸多廠商實現了中低端產品轉化。大部分基于FDM技術的3D打印機在工件成型時保留大約0.3mm的加工余量，工件打印成型后，再進行后續的打磨加工或者局部熱塑加工，使其精度進一步提升。

2 FDM技術下的3D打印機機械結構設計

2.1 3D打印機機械結構設計。FDM技術下的3D打印機機械結構設計主要是在2-4個定位桿的定位支持下，確保絲桿轉動驅動滑塊沿定位桿移動，最終將動作機構定位到目標位置。而步進電機與減速機的配合，可以確保絲杠的轉動速度和轉動給進量可以得到程序有效控制。當前大部分高精密加工機械，依然沿用了這一控制模式[5]。這一控制模式下，加大絲杠攻絲密度，可以讓絲杠轉動固定角度時，滑塊的位移量最小，而壓縮步進電機每步轉動時帶動絲杠轉動的角度，可以進一步縮小步進電機每步操作的滑塊位移量。對于滑塊位移量S，可以有以下公式進行控制：

Smin=Q10·2πPmm（1）

其中：

Q為絲杠上每厘米的絲數;

P為經過減速機減速后步進電機每步進1步絲杠轉過的角度（弧度制）;

當每厘米擁有40絲且步進電機模數為32且減速比為0.25時，步進電機每動作1步，滑塊的位移量0.002mm，對當前系統目標精度達到±0.3mm的工程需求已經可以達到積極意義。

在高精密切削系統中，含數控車床、數控銑床、數控磨床等，其絲杠控制過程一般需要對滑塊位置進行定位測量，但本文系統無需進行該測量過程，只需要在滑塊遇到行走極限時，對步進電機計數進行一次確認（Check），即在實際打印過程開始之前，使用步進電機控制滑塊貼近近端行走極限，此時將步進積累值定位為L0，再將滑塊貼近遠端行走極限，此時將步進積累值定位為LN，隨后將滑塊重新貼近近端行走極限后，開始執行打印策略[6]。

2.2 FDM彩色打印的擠出頭機械結構坐標設計。如果三個FDM擠出頭的Z軸高度保持一致且確保足夠的安裝精度，那么以FDM1坐標（X，Y）為控制中心，則三個FDM擠出頭的坐標位置如下：

FDM1=X，YFDM2=X-ΔX1，Y+ΔYFDM3=X+ΔX2，Y+ΔY（2）

在實際打印過程中，依照公式（2）對三種打印材質進行坐標轉換，在最高0.002mm的控制精度下，可以實現高精度的彩色打印。而實際打印執行過程中，一般使用FDM1擠出合成低熔點的樹脂材料作為填充骨料對打印材料進行支撐，而使用其他擠出頭擠出模型成型材料。打印完成收，使用水浴加熱將打印工件進行加熱，使其溫度超過填充骨料熔點，且低于模型成型材料熔點，使打印填充骨料充分融化，最終得到更高精度的模型。此模式可用作陶瓷模具、精密鑄造模具等復雜模型成型場景。

3 FDM打印機的機械結構的控制系統實現

當前最常見的門式3D打印機架構，其Y軸控制通過沿Y軸移動溫控基板的方式實現控制過程，X軸控制通過沿X軸移動FDM擠出頭的方式控制過程，此二者均可以采用單絲杠的控制模式進行控制，但Z軸的控制一般采用雙絲杠通過升降FDM擠出頭行走導軌的方式采用雙機配合控制。假定絲杠的加工工藝可以保證在實際160-220mm的Z軸控制區域內保持一致性，且近端行走極限限位裝置和遠端行走極限限位裝置的安裝精度，也可保障Z軸的行走范圍內的絲數相等，即其安裝精度可以控制在0.25mm以內，那么對于2個Z軸控制絲杠來說，其區間內的絲杠絲數完全一致。即Z1=Z2。

但是，即便在設備出廠時，2個Z軸控制絲杠可以安裝成Z1=Z2的狀態，但設備運行過程中的震動、熱形變效應、系統蠕變等，都可能導致2個Z軸控制絲杠出現1mm以內的形變，本文采用每厘米40絲的控制絲杠，此時可能導致以下形變：

ΔZ=MAXZ1，Z2-MINZ1，Z2≈4（3）

所以，在實際控制中，應當從MAXZ1，Z2中舍棄部分絲數，使其與MINZ1，Z2相等，即在系統中構建一個虛擬行走極限空間，用于確保兩個Z軸控制絲杠的同步性。即在系統開機自檢過程中，當Z1與Z2中一個滑塊率先達到行走極限時，該行走極限被標定為兩個滑塊共同行走極限。

4 總結

本文設計了一種絲杠控制精度在0.002mm，最終模型精度在0.3mm的，基于FDM擠出式打印頭的3D打印機控制系統。系統使用一個ARM-31開發板執行中央控制，在桌面端驅動程序的有限元分解算法支持下，實現高精度的3D打印。當前，基于FDM的3D打印機技術已經趨近完善，通過對算法進行革新，提升對步進電機的控制策略，增加驅動程序可識別的3D模型文件種類，對FDM材料的成型過程進行進一步優化控制，是未來FDM技術支持下的3D打印機重點發展方向。

參考文獻：

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[6]張春蕊，鞠錦勇.不同填充率下FDM 3D打印預制件建模及力學性能分析[J].中國塑料，2020，34（06）：66-72.

作者簡介：謝添（身份證號421302********219），1999，男，漢族，湖北隨州，本科，學生，機械電子工程