微型FDM型3D打印机的研制 - 图文

图2-6 Z轴丝杆传动 图2-7 实验室Z平台

对于3D打印机而言，挤出头是其核心的部件，就市面上比较有名的FDM型3D打印机而言，大多数采用加热棒对铝块进行加热。图2-8中，塑料丝通过挤出机将丝从进口端挤入，通过喉管导向，到达铝块，经过熔化，进入喷嘴，最后由喷嘴挤出。由于喉管内径比塑料丝直径稍大，故融化后的塑料丝在进端进丝压力作用下较易从喷嘴挤出。铝块内部装有热敏电阻来读取温度进而由主控板来控制温度，保证温度在塑料丝的熔融温度之上。

图2-8 挤出头

打印头中的喉管由不锈钢制造，是为了降低其导热性能，不锈钢喉管有些内部还衬有铁氟龙，由于挤出头长期加热打印致使吼管内部温度升高，导致管内料也处在熔融状态，当停止打印冷却后，材料就黏结在管内，下次重新开机打印时，管内黏着料不能马上融化，使喉管出现堵料现象 ，喉管内部衬铁氟龙，使喉管内料都不会熔融黏着 ，能大大改善堵头问题。同时作者在挤出头外加散热片和风扇，主要也是为了降低喉管上部的温度，防止堵头问题，也可以为挤出机散热。加热熔化后的塑料丝由喷嘴挤到打印台上，如果为了减少塑料因温度骤减而发生翘边和收缩等不良现象，作者

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可以将打印台做成加热床，床内有热敏电阻与电路板相连，来控制加热床的温度，为了节约制作成本，作者就不使用加热床了。 2.2.2 电路部分

3D打印机电路部分在打印机中起的作用是控制整个打印过程协调、有序、完整的运行。FDM型3D打印机电路部分主要包括Arduino mega 2560主控板，Ramps 1.4拓展板以及步进电机驱动板。下面对它们的基本参数和作用，作如下介绍。

a) Arduino Mega 2560主控板

图2-9 Arduino Mega 2560主控板

Arduino Mega 2560主控板的微控制器为atmega2560，工作电压为5V，数字I/O引脚为54个，模拟输入引脚为16个，每个I/O引脚的直流电流为50毫安，主控板是3D打印机的大脑，负责控制整个打印机来完成特定的动作，如打印特定的文件等。这里需要说明，拓展版给主控板供电的二级管不焊接，也就是需要单独给mega 2560主控板供电，直接使用USB 5V或通过电源接头供电。

Arduino是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台，包含硬件（各种型号的Arduino板）和软件（Arduino IDE)，它开放源代码的电路图设计，程序开发接口免费下载，也可依个人需要修改，它满足了不同人群创新创意的需要。3D打印机运行前，需要在Arduino IDE中下载Marlin固件，根据需要修改固件中部分参数来满足打印的要求。

b) Ramps 1.4拓展版

拓展板Ramps 1.4插在主控板上，通过插针与主控板相连，有了它是为了更好的与其它硬件进行连接和控制，起到过渡桥梁的作用。拓展板需要接两个12V电源，其中一个为11A，为加热床供电，另一个为5A，为挤出

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机、各轴电机及风扇等元件供电，由于作者未使用加热床，只使用一个12V、5A电源即可。Ramps 1.4拓展板上还有风扇输出与加热棒输出指示的LED，挤出机与各轴电机均通过步进电机驱动板A4988由主控板控制，由于作者采用单机头打印机，挤出机2电机接口不用安装A4988，位于拓展板右上角，有X、Y、Z方向的限位开关，可以控制打印机每次工作时的原点。拓展板的接线如图2-10中所示。

图2-10 Ramps 1.4拓展板

c) A4988步进电机驱动板

A4988步进电机驱动板是用来连接步进电机的，从而实现主控板对步进电机的控制，实现XYZ轴电机及挤出机的动作。A4988步进电机驱动板的特点是，它只有简单的步进和方向控制接口，有5个不同的步进模式：全、半、1/4、1/8和1/16，可调电位器可以调节最大电流输出，从而获得更高的步进率，有过热关闭电路、欠压锁定、交叉电流保护的功能，以及接地短路保护和加载短路保护的作用。如图2-11所示，驱动板通过引脚接插到拓展板中对应的接口上。

图2-11 A4988步进电机驱动板

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2.2.3 软件部分

前面作者已经知道，3D打印机软件部分包括上位机软件和下位机软件两大部分，而每部分又有细分，通过软件的运行，作者才能实现主控板对打印参数的设置及控制。一台3D打印机所有软件完整运行的过程如下：首先，作者需要在电脑上的三维建模软件中完成零件的建模，如Solidworks、 UG、3D Max等三维软件，创建完3D模型以后将文件另存为STL格式，将 STL文件在切片软件Slic3r中打开，通过一系列的打印设置，进行切片产生代码，在另一上位机软件Pronterface上将代码打开，并连接主板，主板上的下位机软件为Marlin固件，运行前已提前进行参数设置，连接成功后，主板上的LED灯会闪烁，待打印机上加热管加热，温度升至设定温度后开始打印。下面具体介绍一下打印机的软件部分。

a) 下位机软件Marlin固件

Marlin固件为自由软件，可以直接用来做软件开发，而作者在3D打印机中使用Marlin固件时，只需要在Arduino IDE软件中下载完固件，找到Marlin固件中的Configuration.h文件，可根据自己的需要来修改相关的代码内容，作者研制的打印机需要做如下修改。

找到

#define BAUDRATE 250000

这项代码意义为：电脑通过USB线链接打印机的通信波特率，单位为bps，在后面打开的Pronterface软件中需将波特率也设置成250000，才能成功连接主板。接着需要找到

#define MOTHERBOARD 33

这项代码意义为：电路板型号，RAMPS1.4版本，对应的配置应该为33（单打印头配置），和34（双打印头配置），此处作者填写为33。其它参数暂时默认即可。软件运行如图2-12中所示。

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