FDM型3D打印机设计

胡健 邱鹏飞

摘要：快速成型（FDM）是一种使用热塑性的塑胶材料将材料压成半熔融形态的细长丝状，然后将材料一层一层叠加从3 DCAD数据内建立原型的技术。本文在介绍快速成型（FDM）打印机基本内容的基础上，重点介绍了它的运行机制和机器结构，还对他的结构进行了详细的分析。自制的FDM 3D打印机遵循3D打印机的标准设计思思路同时，设计人员可以在实践中不断修改和优化设计方案，以满足创新和创新的需要。

关键词：3D打印机；FDM技术；快速成型

目前，以3D打印为技术核心的“第三次工业革命”在全世界兴起了一股数字化制造业的热潮，随着中国等一批新兴国家不断向该领域进军，发达国家对3D打印技术的独导地位正在不断的减弱。本文主要介绍3D打印机的工作原理及性质，进而分析其结构组成，侧重研究分析机械部分三维打印端头的结构和影响打印端头精度的因素。最后结合电机的运动规律与机床的运动机构，设计出最完善的方案并制作成型。

1 FDM型3D打印机打印原理及结构分析

1.1 打印原理及过程

原理：快速成型技术的基本原理是先用软件画出产品的三维CAD模型，以设定好基本参数，取合理的的厚度对模型进行切片处理，即将3D模式转化为一步步的指令，一层层执行。机器加热喷头根据每一层的二维截面信息进行移动，送丝机构将丝材送往喷头，在喷嘴部件旁，塑胶丝体被充分加热到熔点并熔化，随后从喷嘴中加压成型，并将成型材料防止在工作台表面，然后在工作台上降温固化。，形成模型的一层。打印结束后，工作台面就会降低与该层厚度大小相同的高度。之后一直按照这个过程重复打印，直到整个实体模型完成打印为止。

过程：CAD三维建模→CAD模型的近似处理→切片处理→造型→后处理

1.2 结构分析

框架设计分析：采用了铝型材组装了打印机的基本框架。通过三轴联动平台、步进电机运动滑块、传动丝杠、导向光杆等部件组成基础传动系统，满足打印机在X、Y、Z三个方向的运动控制。

电路设计分析：3D打印机的电路部分非常重要，此电路控制机器的的整个运行过程。路线主要由以下三个主要部分构成：Arduinomega 2560主控制板、步进电机驱动板和Ramps1.4膨胀板。可满足机器大量IO接口的设计需求，并且能更好的使各部件进行连接和控制。也增强了机器容错率。

软件设计分析：3D打印机包括上位机软件和下位机软件。打印机的主控板对各参数的设置及控制通过软件的运行实现。在本机器中主要选用：下位机软件Marlin固件、上位机切片软件Slic3r、上位机打印控制软件Pronterface。以上软件的组合使用，能够是的机器在使用的过程中体现更好的性能与流畅度。

2 主要零部件选择、电路测试

（1）电机的选择：电机控制系统一共可分为2种电机。它们分别是伺服电机和步进电机。本文设计的快速成型（FDM）打印机UI步进电机配合更为合适。步进电动机能满足快速成型（FDM）3D打印机基本使用情况下都需求两相四线的42步进电机，在同相之间有电阻。步距角普遍在1.8°的需求。

（2）挤出头的选择：挤出头一共分为2类，分别是单挤出头和双挤出头。本台机器由于不过度追求速度因此选择单挤出头更为合适，按照有差异的应用环境以及实践状况本装置选择0.4mm的喷嘴。

（3） 送丝机构的选择：3D打印机送丝机构能够分为远端和近端两种。本机构需要一定的打印速度和精准度故选择了远端送丝结构作为机器的送丝机构。

（4）电路测试：测试准备：安装Arduino IDE→下载Slic3r→下载Printrun→下载Marlin固件

电路板的连接与电路测试：中断USB线，把Ramps 1.4拓展板连到板上，Ramps上不是正面的那一面的插针都需要连接到主控板上。而后再把热敏电阻接到板子的正确的位置。检查线路都正确之后连接上USB数据线和12V电源。启动Printurn上位机软件。mega2560在接通电源的开始的时候，RAMPS板子上的第一个LED绿灯灯会闪动几次。这就表明了mega2560板子里的固件已经在运转。

启动上位机之后，应用正确的串口，调用波特率为250000，再点击connect。若正常。图形操作区变成高亮。温度线旁边的watch选项勾选。检测温度是否正确，若检测的温度与室温相当，表明连接正确。若为0，则体现连接失败，要进行检查任务。完成上步后就是测试三个输出端。分别在”Heat”和”Bed”旁点击”set”按钮，并在右下部位输入M106 S255 来打开风扇。若在这个时分RAMPS1.4上亮起了三个红灯，这就表明输出端测试顺利完成。输入M107可关闭风扇。

步进电机的检测，第一步需要断开机器的电压源，然后把型号为A4988的驱动板与Ramps1.4向连接。在此检测环节一定要有一个电机进行检测，通常情况下可使用万用表的200欧姆测电阻对电动机两端连接检测。按次电机线红、蓝、绿、黄连接。完成连接之后，接通电源，利用Printurn上位机软件使其转动。若先将电机装在X轴上，则按动X轴的+方向操作，这时电机会往正方向进行转动。若电机方向操作，电机则进行反转。在不同轴上重复上述的操作。

3 打印机的组装及打印运行

（1） 打印机的组装包含：角件与电机安装、钢型材的安装、电源与主板的安装、挤出头的安装、热床的安装。

（2）打印机的测试白喊：三轴步进电机进行测试、测试限位开关、测试挤出头风扇、测试挤出头加热、挤出头入料测试。

参考文献：

[1]张楠，李飞.3D打印技術的发展与应用对未来产品设计的影响[J].河北石家庄：河北科技大学艺术学院，2013，30（7）：9799.

[2]张永，周天瑞，徐春晖.熔融沉积快速成型工艺成型精度的影响因素及对策[J].南昌大学学报，2007，29（3）：252256.

基金项目：浙江省高等教育教学改革研究项目，项目编号：jg20160265

作者简介：第一作者胡健（1991），男，汉族，浙江金华人，助教，工学学士，研究方向：机械工程；第二作者邱鹏飞（1986），男，汉族，江西抚州人，讲师，工学硕士，研究方向：机电一体化。