1、基于教学使用的 FDM 型 3D 打印机制作摘 要：3D 打印技术理论与实践的结合应通过有效载体进行推广。从 FDM 型选择、理论学习与研究、样机设计与制作，总结了 3D 打印技术应用于教学使用过程中的理论、实验，以及制作可行性，满足课堂教学、实验实践的需求，有利于 3D 打印技术在高校的学习推广。关键词：FDM 型 3D 打印机；制作；教学1 绪论随着我国工业发展要求的不断提升，3D 技术已逐步受到社会和高校科研师生的关注。全国第九届大学生结构设计大赛分赛段装配式桥梁结构模型制作，明确进行了应用 3D 打印机虚拟制作环节；3D 动力大赛机械产品赛事也逐步从模拟三维造型向 3D 打印实物要求逼
2、近，等等。1本文项目研究组初衷是基于教学研全方位了解、认知一台 3D 打印 FDM 型机器。随着项目进程的不断学习和参加创新活动不断深入，也越发体验到制作和运行机器，对复杂的3D 打印知识掌握具有非常直观有效的学习作用，更具有在大学生开展 3D 打印教学研初级阶段快速掌握基本知识框架的现实意义。2 3D 打印 FDM 型选择FDM 全称 Fused Deposition Modeling，即熔融沉积成型技术，其工作过程为：计算機建模后，转换输入打印机控制器，控制器协同打印机喷头，将丝状材料融化喷出，根据喷头与工作台、步进电机等协同，层层打印形成三维实体。选择 FDM 型一方面根据大学生教学使用
3、，它具有设备成本低、原料高效无污染、器械及试验轻便等优点；一方面是 3D 打印领域其它类型选择所需投入机器成本、场地和环境要求等，高校教学或大学生创新实践都不能较好适应。当前市场和高校的 3D 打印机，FDM 型常见主要类型有三种：三角洲 3D 打印机、i3 打印机、Makerbot 3D 打印机。3根据教学使用为出发点，每种打印机都在设计方面具有自身独特的优势，但也存在其教学研究等领域狭小的不足。因此，综合各打印机情况，创新开发具有自身特点的教学多用途打印机变得尤为重要。本文项目研究组通过调研与研讨，制作一台基于教学使用的 FDM 型 3D 打印机作为课题项目进行了组队研发。3 教学使用 F
4、DM 型 3D 打印机结构设计一台机电产品都有自身通用的要求，包括框架安全性能、传动动力控制、打印控制系统、喷头平台设计等。经调研与研讨，FDM 成型要求所具备的传动动力、传动方式、运动方式等，在三角洲 3D 打印机、i3 打印机、Makerbot 3D 打印机上都根据自身结构特点选择了适合的方式呈现，其最大区别在于运动方式的不同而对其进行了区分。从教学使用和打印实践来看，本次设计一方面要尝试传动方式的改变，由带传动改为齿传动；另一方面要尝试在打印实践方面改进打印精度，进行喷头装置控制配合的新方法。3.1 外支撑框架设计熔融沉积打印机有很多种类型，其中最常见的有两种类型4：类型 1：笛卡尔 3
5、D 打印机它由三个导轨组成，沿着笛卡尔平面的轴线运动。选择控制笛卡尔 3D 打印机的运动是相当简单的机械和软件，因为只有沿着轴线直线运动。现在市场上的 3D 打印机大多数使用笛卡尔系统。类型 2：Delta 3D 打印机它通常由三垂直导轨组成，其运动是通过他们上下移动的。它们直立在三角形结构中。挤出机连接到这些导轨与三臂，由于运动比较复杂，因此很难以找到打印机的头部位置。Delta 打印机在业界和 3D 打印消费群体中越来越受欢迎，这是因为这种打印机可以更快的打印模型，而且比笛卡尔坐标的打印机更加紧凑。在参考两种类型结构的基础上，团队调研研讨构架出设计三维如图 1 示。三维构图 3.1 两个立
6、起来的丝杠是我们所使用笛卡尔坐标系中的 Z 轴，另外一个丝杠就是 Y 轴，从这两个轴建成一个平面，把喷头运动方向建为 X 轴并垂直于 Z 轴，这样笛卡尔坐标就构建完成，外支撑框架设计构图完成。3.2 喷头平台设计由熔融沉积打印机的原理可知，它是由熔丝慢慢的挤出，然后一层一层的堆积成型，熔融沉积打印机可以通过降低层高和使用直径较小的喷嘴，在一定程度上提高精度。虽然这些方法提高了精确度，打印表面还是有不平行的问题出现。5并且在打印过程中，当改进精确度时，打印机是通过降低层高度或使用喷嘴直径越小，零件的打印时间就会延长。综上所述，利用一杆多喷头的方法，从而达到每次挤出都会变小，减少每一层的间隙，得到
7、精度的提高；多喷头工作减少时间消耗，喷头平台设计雏形完成（见图 2）。3.3 传动动力控制设计与传统动力控制不同，本次 3D 打印机动力控制主要采用步进电机控制所有的轴和挤出机。从动力学来看，步进电机需要完成轴运动和挤出机喷头两个运动，因此需要选择两个电机，或进行理论与实验选择一个电机。步进电机是由一个多齿的磁性齿轮驱动的，在定子中有装有相应齿的电磁铁连接到马达的转子。轴运动阶段的拉扯和推挤，选择适合齿轮的牙以不同的力，得到多个齿步就可完成。而挤出机所连接的喷头就需要配合喷头运动进行实验完成匹配。选择挤出机的步进电机还需要考虑所用喷嘴的直径。通过理论研讨和实验设计，我们找到了比较符合的三种步进
8、电机，这三种电机的型号为 JK42HS34.1334A、SM.42BYG011.25、42BYGHM809，根据线材向下运动要考虑到步进电机的步进角，还有扭矩，团队实验后数值如下表所示。根据上表实验数据，结合选择喷嘴的直径和控制软件，型号为 SM.42BYG011.25 的步进电机最符合整体设计所需。3.4 打印控制系统本次设计教学使用的 3D 打印机 FDM 型起初选择了市场较为稳定的 Mega 2560 控制板，但鉴于多喷头兼容性及后期扩容等实际问题，样机改选为 RepRap 奥梅罗德使用的一个开源的控制器板 Arduino 的微型控制器与四 A4892 步进驱动器，该控制系统传输是以以太
9、网、高速 SD 卡插槽、高电流 PWM，12A 35v 直流电源输入和其他组件兼容，这样A4892 步进驱动器进入 1/16 微步，提供了更高精度。3.5 样机组装本文项目研究组所呈现的是一台基于教学使用的 3D 打印 FDM 型样机设计，打印材料使用 PLA；該打印机主要由控制板、打印驱动及电机单元、机械运动单元、打印喷头、反馈检测单元、打印零件分层程序等组成；该打印机可以用来制作模型及机械等各种零部件。（1）主要设计参数：工艺选用：FDM外框尺寸：400*400*360工作尺寸：200*200*150打印喷头：单打印头耗 材：PLA（2）重要组装及原因分析：样机框架材料采用用的是 2020
10、 的铝型材，使用 2020 铝型材是因为此型材的承重和 3D 打印机外框的安装是最合理的型材；打印平面采用的是200*200*150 的打印空间，外框材料尺寸选择了 400mm 长的铝型材两个，360mm 长的铝型材两个，组装为 400*400 的 3D 打印机的平面支架；在 360mm 的两铝型材上安装 T 型立式铝合金支架用来支撑 Y 轴，Y 轴的运动路线和距离就确定了；在 400*400 的平面支架上的400mm 的铝型材上还要安装两个 Z 轴的电机支架，样机组装后如图 3 所示。4 制作中遇到的困难制作教学使用的 3D 打印机 FMD 型，原期望解决的传动方式由齿动替代皮带轮动，鉴于实
11、验中的齿动不稳定性，改为了一机带多动的处理方式，但仍采用了皮带轮动的传动方式。为追求打印精度，所制作的 3D 打印机把喷嘴的直径变小，对打印件的精度是变高了，但是对于这种熔融沉积的打印机的打印速度反而拖慢了。为提升打印速度，期望用多喷头叠加来减少耗时，而在编程过程中，目前通用软件无法完成一控多的现状，对于这个问题还是有待研究。5 结语制作过程中，本文项目研究组主要研究了基于 FDM 型的 3D 打印技术。目前市场和科研单一的划分三种平台设计类型，在本样机设计中有了较好的相互借鉴：一方面，通过FDM 型的 3D 打印技术理论分析，从喷头设计、成型精度提升设计等方面进行融合；另一方面，运用步进电机
12、的理论与实验数据相结合，对传动系统进行了部分改良，最后通过整体设计需要，完成框架、材质、控制器等系列建模的装配工作。作为认知和熟悉 3D 打印技术的一种方法，本文项目研究组通过理论学习、整体构架、解决实际问题等方式，掌握了 FDM 型 3D 打印机从无到有的整个过程。它有利于师生培养 3D 打印技术的学习研究兴趣，有利于团队着手准备下阶段研究内容，更有利于举一反三开拓 3D 技术其它类型的可能性。而作为第一手资料，通过总结与教学分享，更有利于 3D 技术在大学课堂和实验室的推广。参考文献：1张萍，闫宇，等.3D 打印机在高校土木工程教学中的应用探讨J.山西建筑，2016（15）：229.230.2郭遵站.小型 3D 打印技术研究D.长春理工大学，2014.3郭振华，王清君，郭应焕.3D 打印技术与社会制造J.宝鸡文理学院学报（自然科学版），2013（04）：64.70.4王龙.基于熔融沉积技术的金属 3D 打印机研制D.南京邮电大学，2016.5谢卓.熔融沉积成型精度分析及工业参数研究D.合肥工业大学，2016.项目：本文为江苏省高校大学生创新训练项目：3D 打印 FDM 型样机研制（项目编号201713101006Y）阶段性成果之一作者简介：王克，男，在读学生；刘远，男，在读学生；常太明（1982.），男，河南延津人，大学学历，讲师，主要研究方向：创新创业教育。