多材料3D打印機(jī)控制系統(tǒng)選型和樣機(jī)搭建案例分析目錄TOC\o"1-3"\h\u5545多材料3D打印機(jī)控制系統(tǒng)選型和樣機(jī)搭建案例分析 19951.1控制系統(tǒng)選型 127291.1.1控制部分硬件 1216711.1.2控制部分軟件 391301.2樣機(jī)試制 361071.3打印實(shí)驗(yàn) 579441.3.1主要原材料 520381.3.2主要設(shè)備及儀器 553121.3.3實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及試樣制備 537971.4小結(jié) 8控制系統(tǒng)選型3D打印機(jī)控制系統(tǒng)主要由硬件和軟件組成[61-64]?？刂葡到y(tǒng)硬件主要部分如圖5-1所示。圖5-1控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.5-1Hardwarestructureofcontrolsystem控制部分硬件控制部分硬件主要包括控制主板、步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器、限位開關(guān)、電源和加熱部分。1）控制主板常見的3D打印機(jī)主板有RAMPS、Sanguinololu、STB_Electronics和赤兔F407，如圖5-2所示。相比于其他主板，赤兔F407是3D打印機(jī)主板中性能比較優(yōu)異的一種，CPU采用STM32處理器，支撐SD脫機(jī)和USB聯(lián)機(jī)兩種工作模式，底層源代碼開放，可自行修改PID參數(shù)、電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)等，擴(kuò)展接口比較齊全，能進(jìn)行斷電、斷料、溫度、過熱、過流等多種出錯(cuò)診斷，有效地確保了運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)的安全性和平穩(wěn)性[65]。本文所設(shè)計(jì)的多材料3D打印機(jī)控制部分使用模塊化電路板，其核心是赤兔F407主控板，它與驅(qū)動(dòng)模塊協(xié)同工作來控制多材料3D打印機(jī)的七個(gè)步進(jìn)電機(jī)。隨后將控制程序編輯好，寫入主板進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)驗(yàn)證。a)RAMPS主板b)Sanguinololu主板c)STB_Electronics主板d)赤兔F407主板圖5-23D打印機(jī)控制主板Fig.5-23Dprintercontrolboard2）步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器多材料3D打印機(jī)通過控制工字模組的三個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)擠出頭做X軸和Y軸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，通過控制Z軸的兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)擠出頭做Z軸的上下運(yùn)動(dòng)，通過電機(jī)控制擠出螺桿轉(zhuǎn)速來熔融打印材料擠出。為了讓擠出頭獲得高的位置精度、重復(fù)定位精度和工作效率，同時(shí)避免丟步和震動(dòng)等情況的發(fā)生，上述的這些步進(jìn)電動(dòng)機(jī)必須協(xié)同運(yùn)動(dòng)，這是整個(gè)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵功能。此處選用的七個(gè)步進(jìn)電機(jī)型號(hào)和驅(qū)動(dòng)器型號(hào)如表5-1所示。表5-SEQ表6-\*ARABIC1電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器規(guī)格Table5-1Motoranddriverspecifications安裝位置功能個(gè)數(shù)電機(jī)種類驅(qū)動(dòng)器工字模組XY平面運(yùn)動(dòng)360HB102-401ACL57CZ軸Z軸運(yùn)動(dòng)286BYG250DDMA860H多材料擠出頭多種材料擠出257BYG250H-8DM5423）限位開關(guān)限位開關(guān)的功能是限制X軸、Y軸和Z軸的位置或行程，確保擠出頭安全準(zhǔn)確地運(yùn)動(dòng)到指定點(diǎn)。常見的限位開關(guān)可分為機(jī)械式和感應(yīng)式，此處采用機(jī)械式對(duì)X軸、Y軸和Z軸的行程進(jìn)行限定，相應(yīng)軸的行程分別為600mm、600mm、1000mm。4）電源選擇一個(gè)開關(guān)電源，將AC和DC進(jìn)行轉(zhuǎn)化，本文設(shè)計(jì)的“擠出頭平面運(yùn)動(dòng)，打印平臺(tái)上下運(yùn)動(dòng)”的打印機(jī)電源選型為：LRS-350-24，電壓24V，電流20A。5）加熱部分加熱板和擠出頭是3D打印機(jī)加熱模塊的主要組成部分，它們的工作原理均是電阻熱效應(yīng)。打印平臺(tái)由加熱板進(jìn)行加熱控制，擠出頭加熱使用3段電阻絲加熱。三段溫度從靠近噴嘴到進(jìn)料口分別是230℃、180℃、170℃。設(shè)置為為保證處于熔融狀態(tài)的多種材料從擠出頭擠出時(shí)的流動(dòng)性、穩(wěn)定性和粘結(jié)性，必須對(duì)加熱管內(nèi)的溫度進(jìn)行精確控制。故采用三段式加熱并配備溫度傳感器來對(duì)擠出頭的溫度進(jìn)行監(jiān)控?？刂撇糠周浖刂撇糠周浖饕菍?duì)多材料3D打印機(jī)的運(yùn)動(dòng)模塊、擠出模塊和打印平臺(tái)按照一定的參數(shù)要求進(jìn)行控制，從而完成制件的打印。在整個(gè)過程中，它需要使用切片、固件燒錄和主控等軟件。切片軟件是原始設(shè)計(jì)模型和3D打印機(jī)之間的橋梁，它依據(jù)所設(shè)定的參數(shù)對(duì)模型進(jìn)行切片，規(guī)劃打印路徑，轉(zhuǎn)化成3D打印機(jī)識(shí)別所能識(shí)別的G代碼，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)打印機(jī)完成打印任務(wù)。常用切片軟件如Slic3r和Cura，可以對(duì)打印速度、填充率、溫度、擠出頭切換等進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)置，這些參數(shù)的設(shè)置對(duì)打印質(zhì)量、產(chǎn)品精度有著直接的影響。此處選擇Cura。固件燒錄軟件將編制的控制程序?qū)懭胫骺匕澹疚乃O(shè)計(jì)的多材料3D打印機(jī)采用Marlin固件，它不僅采用模塊化編程方式，還支持多種運(yùn)動(dòng)形式的機(jī)械結(jié)構(gòu)，具有較好的擴(kuò)展性和兼容性。主控軟件識(shí)別切片軟件生成的G代碼，發(fā)送相應(yīng)指令給多材料3D打印機(jī)。此處選用Pronterface，它具有監(jiān)測(cè)控制各軸運(yùn)動(dòng)和關(guān)鍵部件的溫度、打印過程虛擬仿真等功能，該軟件還有界面簡(jiǎn)潔、易操作的優(yōu)點(diǎn)[66]。樣機(jī)試制在設(shè)計(jì)、優(yōu)化和部件選型的基礎(chǔ)上，對(duì)多材料3D打印機(jī)搭建，整個(gè)搭建過程共有7個(gè)步驟，分別是安裝底座、搭建打印機(jī)框架、安裝Z軸組件、搭建打印平臺(tái)、安裝XY軸模組、安裝擠出頭和其他輔助硬件。樣機(jī)搭建具體過程如下：搭建打印機(jī)底座。用四只地腳支撐座安裝好平臺(tái)底座，安裝時(shí)先用鋼直尺對(duì)平臺(tái)底座四角進(jìn)行垂直度檢測(cè)，然后鎖緊螺栓，如下圖5-3a）所示。搭建打印機(jī)框架。組裝長(zhǎng)度1000mm的8080鋁型材16根，組裝長(zhǎng)度1800mm的8080歐標(biāo)優(yōu)質(zhì)鋁型材20根，通過角件、螺栓和船形螺母固定；為了使框架更結(jié)實(shí)耐用不變形，故還設(shè)計(jì)了在鋁型材連接外部加固了L型和T型連接板。如下圖5-3a）所示。第三，搭建Z軸組件。（1）安裝Z軸光軸支座和86步進(jìn)電機(jī)支架，要保證兩邊支架座和底座都垂直，所以通過激光水平儀保證安裝垂直，如下圖5-3a）所示；（2）安裝兩根光軸，安裝光軸前預(yù)先把方法蘭型直線軸承安裝到光軸上；（3）將光軸兩端固定到Z軸支撐座中；（4）隨后把Z軸步進(jìn)電機(jī)安裝到支架上固定；（5）安裝Z軸絲杠和Z軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)。如下圖5-3a）所示。第四，搭建打印平臺(tái)。組裝打印平臺(tái)的支撐板、加熱板和亞克力面板第五，搭建XY軸模組。將XY直線模組使用螺釘緊固在打印機(jī)框架的頂部，確保該模組安裝水平、兩根870mm模組(Y軸)相互平行，如下圖5-3b）所示。第六，搭建擠出頭組件。在擠出頭上纏繞加熱圈后，將擠出頭安裝到工字型模組X軸安裝處，如圖5-3c）。第七，連接電源、限位開關(guān)和傳感器等其他輔助件。根據(jù)樣機(jī)設(shè)計(jì)方案，經(jīng)過設(shè)計(jì)優(yōu)化、定制加工、采購(gòu)、安裝和調(diào)試等一系列過程，基于螺桿擠出原理多材料3D打印機(jī)試驗(yàn)樣機(jī)搭建成功，圖5-3d）是最終安裝完成圖。a）框架及Z軸組件b）安裝XY軸模組c）安裝擠出頭d）整機(jī)圖5-3搭建過程Fig.5-3Constructionprocess打印實(shí)驗(yàn)為驗(yàn)證基于螺桿擠出原理多材料3D打印機(jī)各個(gè)機(jī)構(gòu)和功能運(yùn)行正常，在料斗裝入事先準(zhǔn)備好的純PLA粒料和PLA木塑復(fù)合顆粒料進(jìn)行打印機(jī)驗(yàn)證。聚乳酸（PLA）是一種新型的生物降解材料，使用后能被自然界中微生物完全降解，最終生成二氧化碳和水。所以，PLA基木塑復(fù)合材料是一種可降解環(huán)保材料，它也具有很好的熱穩(wěn)定性、加工溫度170～230℃，可用擠壓方式進(jìn)行加工；機(jī)械性能及物理性能良好；擁有良好的光澤性和透明度，非常適合用于3D打印螺桿擠出加工。通過擠出打印實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證螺桿設(shè)計(jì)的合理性，設(shè)置不同的參數(shù)進(jìn)行打印，通過打印實(shí)驗(yàn)對(duì)比螺桿的塑化性能，并通過打印篩選出適合PLA粒料打印的參數(shù)范圍，為后續(xù)試驗(yàn)順利進(jìn)行提供合理參數(shù)配置。因?yàn)槁菪铅赵O(shè)計(jì)為17°42′，所以選擇圓柱顆粒料進(jìn)行擠出打印實(shí)驗(yàn)。主要原材料生產(chǎn)廠家：東莞市盛邦工程塑膠原料公司；品牌：PLA美國(guó)NatureWorks加助劑的PLA粒料：500g，白色圓柱料，尺寸φ1×L3，如圖5-4a）所示。純PLA粒料：500g，透明色圓柱料，尺寸φ1×L3，如圖5-4b）所示。主要設(shè)備及儀器3D打印機(jī)：自制的基于螺桿擠出原理多材料3D打印擠出裝置高速多功能粉碎機(jī)：RHB600型，浙江榮浩工貿(mào)有限公司游標(biāo)卡尺：得力高精度電子數(shù)顯游標(biāo)卡尺永洲電子臺(tái)秤實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及試樣制備影響能否成功打印的因素有擠出頭加速度、層厚和打印速度，本文采用試驗(yàn)來研究這些關(guān)鍵參數(shù)在不同的取值下能否成功打印，為后續(xù)其他相關(guān)研究奠定基礎(chǔ)，各因素的水平取值如表5-3所示。為了更好的驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的打印機(jī)可行，遂使用了兩種材料分別打印尺寸35×35×10mm的方塊樣件模型?；诼輻U擠出原理多材料3D打印效果如圖5-4c）所示。a）顆粒材料1b）顆粒材料2c）打印件圖5-4顆粒材料及打印件Fig.5-4Granularmaterialsandprintouts表5-3因素水平表Tab.5-3Factorleveltable水平因素?cái)D出頭加速度（mm/s2）層厚（mm）打印速度（mm/s）12000.530230015034001.57045002905/2.5110為驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的打印機(jī)各個(gè)機(jī)構(gòu)和功能運(yùn)行正常，在料斗中裝入事先準(zhǔn)備好的不同粒料進(jìn)行打印機(jī)驗(yàn)證。依據(jù)表5-3中各因素的取值，分別進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，設(shè)置不同的參數(shù)進(jìn)行打印，并通過打印篩選出適合PLA粒料打印的參數(shù)范圍，為后續(xù)試驗(yàn)順利進(jìn)行提供合理參數(shù)配置。根據(jù)擠出成型打印相關(guān)經(jīng)驗(yàn)分別按如下參數(shù)進(jìn)行打印，并記錄試驗(yàn)結(jié)果如表表5-4、表5-5、表5-6和表5-7。其中0代表打印失敗，1代表打印成功。表5-4擠出頭加速度200mm/s2Table5-4Extrusionheadacceleration200mm/s2序號(hào)層厚（mm）速度（mm/s）3050709011010.511110211111031.511100421110052.500000表5-5擠出頭加速度300mm/s2Table5-5Extrusionheadacceleration300mm/s2序號(hào)層厚（mm）速度（mm/s）3050709011010.511100211110031.511100421100052.500000表5-6擠出頭加速度400mm/s2Table5-6Extrusionheadacceleration400mm/s2序號(hào)層厚（mm）速度（mm/s）3050709011010.511100211110031.511000420000052.500000表5-7擠出頭加速度500mm/s2Table5-7Extrusionheadacceleration500mm/s2序號(hào)層厚（mm）速度（mm/s）3050709011010.500000210000031.500000420000052.500000通過分析打印試驗(yàn)的相關(guān)數(shù)據(jù)，可以得出以下結(jié)論：（1）當(dāng)打印層厚取0.5~1.5mm、打印速度取30~70mm/s、擠出頭加速度取200~400mm/s2本文設(shè)計(jì)的3D打印機(jī)可以打印成功；（2）打印過程中每一層的層高，若太高則制件層級(jí)之間粘性下降，若太低則擠出頭運(yùn)行不平穩(wěn)從而無法成功打??；（3）打印過程中的打印速度，若太快則制件單層的表面會(huì)產(chǎn)生不連續(xù)的情況，若太慢則會(huì)產(chǎn)生多余材料積聚在某些位置，到達(dá)一定高度時(shí)整個(gè)打印無法繼續(xù)；（4）打印過程中的擠出頭的加