利用开源3D打印技术制作提拉机

◆沈双娟 郑勇平

（福建师范大学物理与能源学院 福建 350007）

1 引言

开源，是开放源代码（Open source code）的简称。开放源代码软件能被自主修改、自由复制，从而衍生出更多的新功能软件[1-3]。开源3D打印技术就是基于开源之上的一种3D打印技术，即通过互联网搜索开放源代码，寻找合适的参数化模型，在此基础上对模型进行修复和完善，从而大大降低了3D打印的复杂程度，使3D打印机这个高科技产品步入人们的日常视野。3D打印技术，又称增材制造技术[4]， 是一种以三维数字形式立体构造物理对象的一种快速成型技术[5]，它利用计算机将成形零件的 3D模型切成一系列一定厚度的“薄片”，之后3D打印设备自下而上地制造出每一层“薄片”，最后叠加成形出三维的实体零件[6]，其与传统制造技术相比，3D打印技术在时间和成本上都具有明显的优势，且制作出来的模型更加精细。

提拉镀膜法是一种广泛应用于薄膜制备的方法，采用提拉机在硅片或者圆柱形基片上镀上均匀的薄膜。提拉镀膜法相比于传统的直接手工用镊子夹玻片浸入液面相比，不管是被夹玻片的稳定性、上下提拉的均匀性、对浸入时间的精准把控等方面都有极大优势，同时提拉镀膜法也大大节省了实验操作人员的时间和劳动强度。最早的提拉机是由在国际上 SOL-GEI技术领先的CHEMAT TECHNOLOGY， INC设计完成。其主要关键元器件由美国进口，整机装配由上海CHEMAT安装调试完成，其成本价格较高，使得提拉机无法普遍应用于日常的本科实验教学中。本文采用开源3D打印技术，用相对低廉的3D打印材料制作出了提拉机，实现将玻片浸入液体、悬停镀膜、提拉成型的功能，并能较好控制上升与下降的速度、调节其悬停时间等。

2 实验过程

首先，通过互联网开源3D打印社区我们找到了相对合适的提拉机制动器模型，再利用CAD软件对其进行修改及渲染，获得提拉机零件的3D数字模型，并用Materialise Magics软件对模型进行调试分析，针对3D打印过程中可能出现的各种问题，不断进行修复和完善。其次，是选择合适的3D打印材料，通过综合比较，我们选用了FDM工艺材料中的PLA（聚乳酸）熔丝线材作为3D打印材料。PLA是一种新型的生物降解材料，使用可再生的植物资源（如玉米）所提出的淀粉原料制成。该材料颜色丰富、价格低廉便于多次实验，打印出的零件机械性好，具有良好延展度及抗拉强度，可以完美的适用于实验[7]。最后，通过FDM 3D打印机打印出零件模型并进行组装，对其配置28BYJ-48步进电机作为驱动，这种电机的优势在于价格低、耗电低、个体小、扭矩大、转动稳定、用很小的电压就可以驱动很大的零件转动，缺点是转速低，但恰好适用于提拉机需要稳定的要求[8]。如此便完成了提拉机的硬件制作，如图1所示。

图1 提拉机硬件部分

电路部分，主要为一台28BYJ-48步进电机及其驱动芯片板ULN2003，用来带动提拉机传动机构，用Arduino及其 UNO板作为步进电机的数控部分，最终得到一套完整的提拉机装置，如图2所示。

图2 提拉机系统完整实物图

图3 给出了不同转速对提拉机运转周期的影响，由图中可以看出，不同转速下，提拉机运转一周期的离散度不同，转速越慢，离散程度越低，图像的波动就越小，系统就越稳定，反之亦然。因此这种28BYJ-48步进电机与本次实验制作的提拉机系统更适合在低速下进行运转。图4给出了转速与周期的关系曲线，由图中可以看下，转速与运转周期近乎呈线性关系，随着转速增大，提拉机的运转周期显著变小，当到达28BYJ-48步进电机的最高转速150步/min时，提拉机的运转周期最短，但从图3可以看出，转速达150步/min时，提拉机的离散度较高。通过比较图3和图4，当转速为100-120步/min时，提拉机的离散度和运转周期将达到一个较为理想的平衡状态。

图3 不同转速对提拉机运转周期的影响

图4 转速与周期的关系曲线

3 结论

采用PLA（聚乳酸）熔丝线材作为3D打印材料，打印出的提拉机零件，并联合应用 28BYJ-48步进电机及其驱动芯片板ULN2003，用 Arduino及其 UNO板作为步进电机的数控部分，如此制得的提拉机系统， 能较好实现提拉机的基本功能，如提拉、悬停、改变悬停时间、改变运行时间等等。研究结果表明，当提拉机转速为100-120步/min时，提拉机的离散度和运转周期将达到一个较为理想的平衡状态。该提拉机实验成本相对低廉，且维修方面也具有极大优势，零件的更换都可以通过3D打印进行。如此制作出来的提拉机最大的缺点是转速不够快，如何选用一款更精准、转速更快、更适合提拉机运作的电机，以得到一套精准更高、效率更好、功能更完善、使用更持久的提拉机系统，将是我们后续研究的重点方向。