FDM型义齿3D打印机设计与实现

丁承君, 尹雷鹏

(河北工业大学 机械工程学院, 天津 300130)

3D打印技术是20世纪80年代兴起的一项新的技术,在国内外得到了迅速的发展[1-2]。3D打印成型技术与传统的制造业相比,有很多独特的优势[3],其在医疗领域的应用更是最近几年研究的一个热点,人的骨骼、牙齿等都是个性化的“产品”,用3D打印技术进行修复是很有前景的。现有的熔融沉积成型(fused deposition modeling,FDM)工艺的浆料3D打印机由于存在打印质量低等缺陷,有人使用面粉、巧克力等材料用于食品的打印[4],很少有人用于义齿、骨骼等模型的打印。本文提出一种FDM型的义齿3D打印机的设计与实现方法,用二氧化锆材料可实现义齿模型的打印。

1 机械结构与电气组成

1.1 机械结构

机械结构采用Hbot型结构,该结构由于其独特的传动方式,可以在保证打印质量的同时减轻运动机构的负载,从而可提高打印速度,并且结构简洁、打印占比高。

现有的一些陶瓷浆料3D打印机的挤出系统一般用注射泵或气泵等,不能实现打印机的连续供料,并且不能精确地控制浆料的挤出和停止。本文采用气泵和螺杆组合的送料机构,气泵用于给储料罐提供压力,螺杆用于浆料的挤出,该机构保证了连续稳定的进料,并且通过螺杆可实现浆料的精确挤出、停止。最终设计的机械结构实物图如图1所示。

图1 3D打印机机械结构实物图

1.2 硬件系统组成

为了获得更快的处理速度,提高打印机的打印精度[5],选用以ARM Cortex-M3为内核的STM32F103ZET6微控制器芯片作为主控制器,完成各个外围模块的协调工作。控制系统硬件框图见图2。STM32通过读取预先存在SD卡里面的G代码控制指令来打印相应的模型；限位开关安装在x、y、z轴末端,用于坐标系的初始化；可以通过屏幕或上位机进行人机交互,控制打印机执行相应的命令；电机驱动芯片采用DRV8825的微双极步进电机驱动器,可在整步、半步、1/4步、1/8步、1/16步、1/32步细分[6]模式下操作步进电机；气泵采用继电器控制器通断。

图2 3D打印机控制系统硬件框图

2 运动控制、自动调平与挤出量的标定

2.1 运动控制

FDM型[6]3D打印机典型的机构类型有Reprap、makerbot、Delta等,其运动控制算法也比较成熟。对Hbot结构的3D打印机其控制算法研究比较少。

图3 Hbot结构传动原理示意图

Hbot机构传动原理见图3。当M1电机或M2电机单独转动时,其挤出系统运动方向为x1方向或y1方向,与x轴和y轴所构成的夹角为π/4[7],如图3所示。该机构运动坐标系相当于笛卡尔坐标顺时针转动了π/4。为了方便控制,需找出机构位移量和步进电机所需脉冲数的关系,经分析有如下关系式：

(1)

(2)

其中,SM1、SM2分别为电机M1、M2的脉冲当量,nM1、nM2分别为电机M1、M2运动需要的脉冲数。

打印机工作时需要控制x、y、z方向的运动电机、驱动螺杆电机和气泵几个动作单元协调动作。本文在基于Bresenham 直线生成算法的基础上改进了一种算法,以实现协调运动、均匀出料。

Bresenham直线生成算法起初是计算机图形学中绘制直线的一种经典算法[8],后来被应用于数控领域,成为一种高效率的脉冲增量插补算法[9]。打印机打印时运动距离和挤出丝的长度都可以解算为电机所接受的脉冲数,打印时读取相应的路径段，并解算为各个电机轴的脉冲数,把脉冲数最多的轴设为基本轴[9],标定基本轴,并设置变量E_flag,用来标定相应路径段是进给,还是空走,如果该路径是进给，设E_flag=1,空走E_flag=0。设在某路径段各轴所需脉冲数为ni(i=x,y,z,e，e表示送料轴)，其中打印时Z0和Z1电机运动方式相同,可以看做一个运动轴),基本轴所需脉冲数为nmax,则该插补的判定条件[10-11]为:

程序每次进入中断执行单元,基本轴输出脉冲信号,其余轴根据判定条件输出或不输出,并根据变量E_flag设置气泵的通断状态。通过这种方式可达到5个步进电机、1个气泵协调动作,均匀挤出。

2.2 打印平台自动调平

目前大部分FDM型的3D打印机打印平台的调平方式都是人工手动调平[12-13],这种方式步骤繁琐,并且精度比较低。为了提高打印质量,保证打印的稳定性,使用步进电机作为调平动作单元,结合螺杆传动,实现打印平台自动调平,通过步进电机驱动器细分驱动可实现步距角为0.056 25°的微调。

调平方法如下:首先根据机械结构设置2个升降点的坐标位置,编写打印机运动校正路径。为了使打印机不发生机械碰撞,编写校正路径时在打印原点的位置喷头上升10 mm,然后依次经过各个校正点。喷头到达校正点上方后,控制打印机喷头下降的过程中开始在程序中断执行单元对产生的脉冲数进行计数,直到限位传感器被触发。通过比较在校正点采集的脉冲数进行高度的校正,最后回打印零点,完成校正。

2.3 标定挤出量

现在比较成熟的FDM打印机打印材料一般为丝状PLA、ABS等,Simply3D、Cura等开源的切片软件对其挤出量的参数都有较好的设定。由于本文所用材料为二氧化锆,与PLA的材料特性不同并且打印机挤出系统结构不同,其挤出量有很大的差别。经研究在0.4 mm喷头、用直径为1.75 mm的PLA材料的情况下,打印时xy轴运动距离和挤出轴进丝距离大概为20∶1,在该挤出量的基础上通过打印测试对挤出量进行校正。经测试,二氧化锆的挤出量为PLA挤出量的35%时打印质量比较好。

3 实验结果

对一颗犬齿模型和一颗槽齿模型进行了打印测试,模型成型效果良好,如图4所示。

图4 义齿打印结果

4 结语

本文通过对FDM型3D打印机挤出系统重新设计、软硬件的改进和挤出量的标定等实现了义齿模型的高精度打印,为FDM类型的浆料3D打印提供了新思路,扩展了FDM类型的3D打印机的应用范围。

参考文献(References)

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