FDM技术下的3D打印机机械结构和控制系统设计探讨

1、    fdm技术下的3d打印机机械结构和控制系统设计探讨    摘要：本文研究fdm技术支持下的3d打印机设计策略。使用步进控制精度在0.002mm的丝杠滑块+步进电机的核心坐标控制系统，使用分别使用1组丝杠控制x轴和y轴的定位，使用2组丝杠控制z轴的定位，使用3组fdm挤出系统控制彩色打印过程，在探讨了坐标控制算法和冷却成型算法后，本文设计了一种包含7个执行机构且有led综合状态显示功能的3d打印机机械结构和控制系统。本文认为，通过对算法进行革新，提升对步进电机的控制策略，增加驱动程序可识别的3d模型文件种类，对fdm材料的成型过程进行进一步优化控制

2、，是未来fdm技术支持下的3d打印机重点发展方向。关键词：fdm;3d彩色打印;机械结构;控制系统中图分类号：tp334.8   文献标识码：a   文章编号：1672-9129（2020）16-0049-011 引言fdm技术是当前最为常用的中低端3d打印机技术，也是最接近桌面端应用需求的3d打印机技术。通过将熔融的聚合物挤出并可控冷却，在沉积底盘上实现可控堆积，从而构建出打印精度达到±0.3mm且工件尺寸超过100mm的桌面级3d打印机系统，这一系统已经被诸多厂商实现了中低端产品转化。大部分基于fdm技术的3d打印机在工件成型时保留大约0.

3、3mm的加工余量，工件打印成型后，再进行后续的打磨加工或者局部热塑加工，使其精度进一步提升。2 fdm技术下的3d打印机机械结构设计2.1 3d打印机机械结构设计。fdm技术下的3d打印机机械结构设计主要是在2-4个定位杆的定位支持下，确保丝杆转动驱动滑块沿定位杆移动，最终将动作机构定位到目标位置。而步进电机与减速机的配合，可以确保丝杠的转动速度和转动给进量可以得到程序有效控制。当前大部分高精密加工机械，依然沿用了这一控制模式5。这一控制模式下，加大丝杠攻丝密度，可以让丝杠转动固定角度时，滑块的位移量最小，而压缩步进电机每步转动时带动丝杠转动的角度，可以进一步缩小步进电机每步操作的滑块位移量。

4、对于滑块位移量s，可以有以下公式进行控制：smin=q10·2pmm（1）其中：q为丝杠上每厘米的丝数;p为经过减速机减速后步进电机每步进1步丝杠转过的角度（弧度制）;当每厘米拥有40丝且步进电机模数为32且减速比为0.25时，步进电机每动作1步，滑块的位移量0.002mm，对当前系统目标精度达到±0.3mm的工程需求已经可以达到积极意义。在高精密切削系统中，含数控车床、数控铣床、数控磨床等，其丝杠控制过程一般需要对滑块位置进行定位测量，但本文系统无需进行该测量过程，只需要在滑块遇到行走极限时，对步进电机计数进行一次确认（check），即在实际打印过程开始之前，使用步进电机

5、控制滑块贴近近端行走极限，此时将步进积累值定位为l0，再将滑块贴近远端行走极限，此时将步进积累值定位为ln，随后将滑块重新贴近近端行走极限后，开始执行打印策略6。2.2 fdm彩色打印的挤出头机械结构坐标设计。如果三个fdm挤出头的z轴高度保持一致且确保足够的安装精度，那么以fdm1坐标（x，y）为控制中心，则三个fdm挤出头的坐标位置如下：fdm1=x，yfdm2=x-x1，y+yfdm3=x+x2，y+y（2）在实际打印过程中，依照公式（2）对三种打印材质进行坐标转换，在最高0.002mm的控制精度下，可以实现高精度的彩色打印。而实际打印执行过程中，一般使用fdm1挤出合成低熔点的树脂材料

6、作为填充骨料对打印材料进行支撑，而使用其他挤出头挤出模型成型材料。打印完成收，使用水浴加热将打印工件进行加热，使其温度超过填充骨料熔点，且低于模型成型材料熔点，使打印填充骨料充分融化，最终得到更高精度的模型。此模式可用作陶瓷模具、精密铸造模具等复杂模型成型场景。3 fdm打印机的机械结构的控制系统实现当前最常见的门式3d打印机架构，其y轴控制通过沿y轴移动温控基板的方式实现控制过程，x轴控制通过沿x轴移动fdm挤出头的方式控制过程，此二者均可以采用单丝杠的控制模式进行控制，但z轴的控制一般采用双丝杠通过升降fdm挤出头行走导轨的方式采用双机配合控制。假定丝杠的加工工艺可以保证在实际160-22

7、0mm的z轴控制区域内保持一致性，且近端行走极限限位装置和远端行走极限限位装置的安装精度，也可保障z轴的行走范围内的丝数相等，即其安装精度可以控制在0.25mm以内，那么对于2个z轴控制丝杠来说，其区间内的丝杠丝数完全一致。即z1=z2。但是，即便在设备出厂时，2个z轴控制丝杠可以安装成z1=z2的状态，但设备运行过程中的震动、热形变效应、系统蠕变等，都可能导致2个z轴控制丝杠出现1mm以内的形变，本文采用每厘米40丝的控制丝杠，此时可能导致以下形变：z=maxz1，z2-minz1，z24（3）所以，在实际控制中，应当从maxz1，z2中舍弃部分丝数，使其与minz1，z2相等，即在系统中构

8、建一个虚拟行走极限空间，用于确保两个z轴控制丝杠的同步性。即在系统开机自检过程中，当z1与z2中一个滑块率先达到行走极限时，该行走极限被标定为两个滑块共同行走极限。4 总结本文设计了一种丝杠控制精度在0.002mm，最终模型精度在0.3mm的，基于fdm挤出式打印头的3d打印机控制系统。系统使用一个arm-31开发板执行中央控制，在桌面端驱动程序的有限元分解算法支持下，实现高精度的3d打印。当前，基于fdm的3d打印机技术已經趋近完善，通过对算法进行革新，提升对步进电机的控制策略，增加驱动程序可识别的3d模型文件种类，对fdm材料的成型过程进行进一步优化控制，是未来fdm技术支持下的3d打印机重点发展方向。参考文献：1李子秋，甘新基，宋桂阳，王志豪，胡玉鹏.基于fdm彩色3d打印自适应控制系统的设计j.组合机床与自动化加工技术，2020（05）：109-112.2王森怡，李思佳，涂迎盈，李凌晖，蒋曙光.3d打印技术在口服固体制剂中的应用与挑战j.中国新药杂志，2020，29（08）：881-889.3任秀芬.基于3d打印的汽车主模型尾灯模块的制造j.锻压技术，2020，45（04）：134-139.4刘凯乐，王贤琳，陈传雨，陈乐，李卫飞.熔融沉积（fdm）3d打印零部件抗压强度的可靠性分析j.组合机床与自动化加工技术，2020（02）：51