微型FDM型3D打印机的研制 - 图文

第3章 主要零部件选择、电路测试过程

3.1 主要零部件选择

3.1.1 电机的选择

步进电机是通过电流脉冲来精确控制转动量的电机，电流脉冲是由步进电机驱动单元供给的。FDM型3D打印机一般选用42步进电机，且为两相四线，同相之间有电阻，可通过万用表测量。步距角为1.8°，也就是电机转动一周为200步。转轴直径为5mm，转矩大小根据电机具体型号不同而变化，打印机上挤出机需要转矩较大，可选择转矩稍大的步进电机。选择步进电机时需要看额定电压与电流参数，比较典型的是2.8V和1.7A，只要步进电机驱动单元能控制电流输出，理论上可以使用任何比电机额定电压高的供电电压。如果驱动单元无法控制电流输出，则需要使用同额定电压接近的供电电压，否则电机会有过热风险。自制3D打印机一般需要4个步进电机，X、Y、Z轴各一个，挤出机一个。

图3-1 42步进电机

步进电机外接同步带，作者可以计算同步带运动1 mm，也就是打印头移动1mm时所对应的步数，由以下公式计算：

步数=电机旋转一周的步数×驱动板的细分数÷带间距÷步进电机上齿的数量。

例如，作者来计算一下，42步进电机转一周为200步，步进电机的驱动板通过控制电流大小对步数进行细分，比如16细分是指在1.8°一步的基础上再细分16步。带间距是同步带上两个齿之间的距离，所以，T5的带间距是5mm，最后数出步进电机上齿的数量为12，再根据上面的公式算出步数。得到结果：步数=200×16÷5÷12=53.3333。然后根据计算，在Marlin固件中修改XYZ轴电机以及挤出机的步数。

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3.1.2 挤出头的选择

在第二章3D打印机的机械部分中作者已经说明了挤出头的基本结构和工作原理，挤出头分为单挤头与双挤头，双挤头的结构如图3-2所示，与

图3-2 单挤头 图3-3 双挤头

单挤头相比较，双挤头采用两个挤出头并列排列，并将相对位置固定，由于有两个喷头，双挤头的打印速度更快，打印效率也更高，双挤头安装在滑块上，由滑块与导轨连接，由于其质量更大，运行时产生的惯性更大，对导轨的刚度要求也更高，这样会降低打印的精度。位于挤出头最下端喷头的喷嘴直径有四种类型：0.2mm，0.3mm，0.4mm，0.5mm，市场上应用最广的是0.4mm的喷嘴，当然根据实际需要可以购买不同直径的喷嘴，这里值得提出注意的是，选定好喷嘴直径后，也要在打印时软件中设置好相应的参数，如切片软件中的打印层高、打印速度等，使打印的质量和精度更高。为简便制作，作者购买的是图3-2所示的单挤头，喷嘴直径为0.4mm。 3.1.3 送丝机构的选择

3D打印机的送丝机构有远端送丝与近端送丝两种，图3-4为近端送丝，

图3-4 近端送丝 图3-5 远端送丝

近端送丝就是将挤出机安装在打印头上，材料由挤出机直接挤入喉管，在铝块中融化由喷嘴喷出打印。这种安装方式由于挤出机与打印头一起运动，打印头质量大，打印时惯性也大，容易使打印不精确，采用近端送丝对导轨的刚度要求也比较高。图3-5为远端送丝，远端送丝是将挤出机安装在离挤出头较远位置，一般安装在打印机框架上，而不是安装在挤出头上，与近端送丝相比较，远端送丝需要较大扭矩，才能将材料挤入打印头中，它

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减轻了打印喷头重量，提高了打印速度和精度，但是由于挤出机离打印头位置较远，一般需要安装减速部件与增大扭矩的部件。经过考虑，作者采用较为简单的近端送丝机构。 3.1.4 打印材料的选择

FDM型3D打印机使用的材料一般有两种：PLA（聚乳酸）与ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料），两种材料在未打印呈丝状时，外观很接近，几乎不可区分，如图3-6为材料外观，两种材料均有1.75mm与3mm两种类

图3-6 打印材料外观

型的直径，作者选择直径为1.75mm的材料。下面对两种材料的区别作简要介绍。

PLA是晶体，ABS是一种非晶体。PLA加工温度是200℃，ABS在220℃以上。当加热PLA时，材料像冰冻的水一样，直接从固体变为液体。加热ABS时，材料会慢慢转换成凝胶液体，不经过状态改变。因为没有相变，ABS不吸喷嘴的热能。部分PLA，使喷嘴堵塞的风险更大。

PLA与ABS相比较，PLA具有以下优点：

? PLA可以在沒有加热床情况下打印大型零件模型而边角不会翘起。 ? PLA具有较低的收缩率，即使打印较大尺寸的模型时也表现良好。 ? PLA具有较低的熔体强度，打印模型更容易塑形，表面光泽性优异，色

彩艳丽。

? PLA在打印時为棉花糖气味，不像ABS那样有刺鼻的不良气味。 ? PLA是一种新型的生物降解材料，处理时不会像ABS那样，产生有毒

气体，污染环境。

由于PLA打印时有以上一些优点，作者在制作3D打印机时也没有使用加热床，因而优先选用了PLA材料。

3.2 电路测试过程

3.2.1 测试准备

在连接电路和调试之前，需要做一些准备工作，以保证打印机调试过程的顺利进行。

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打开软件Arduino IDE，用来将固件传输到主控板上，传输方法：在Arduino IDE中选择Tools→Boards→Arduino Mega 2560，然后选择串口Toolss→Serials ports→相应的串口，点击编译并下载到板子上，注意，编译下载前，确定固件中两行代码已经过修改，改动后的代码为：#define BAUDRATE 250000，#define MOTHERBOARD 33。这两行代码的意义在固件中已作解释，这里不再作说明。固件在进行上传的时候，主控板上的LED灯会不停的闪，等待上传完成，就可以进行电路板的连接及测试了。 3.2.2 连接电路板及测试电路

断开USB数据线，将Ramps 1.4拓展板连接到主控板上，注意不要连接错误，Ramps上背面的插针应该都连接到主控板才对。然后连接热敏电阻到板子相应位置，此时打开Pronterface软件，选择串口（一般是最后一个），设置波特率为250000，点击连接，如果正常，右侧会有连接成功的提示文字，并且下面的操作步骤将可以正常进行了。

通过Pronterface软件上的“check temp”（读取温度），可以获得热敏电阻的温度，因为热敏电阻是直接连上的，所以读取的温度应接近所在实验室的室温，如果读取值为0，则表示连接有误，需检查。

虽然没有连接加热头，但可以进行简单测试，首先连接12V的电源，然后设置加热头的温度为185℃，此时拓展板上有红色的LED灯会亮，说明这部分电路正常，关掉即可。然后在Pronterface软件右下角输入命令M106 S255点击发送，这个命令用来打开风扇控制，此时风扇会转动，拓展板上另一个红色LED灯会亮，输入M107点发送可以关掉风扇。

接下来进行步进电机的测试，断开电源，将A4988驱动板接入Ramps1.4板子，注意插入方向是否正确，否则可能会烧坏电路板。这时，至少应该有一个电机进行测试，电机接线用万用表200Ω档测电阻，两线间有电阻则为同相，同相邻接，一般也可按电机线红蓝绿黄颜色的顺序依次连接。连线完成后，接通电源，通过Pronterface尝试让电机动起来，比如将电机接到X轴上，点击X轴电机+10mm，电机会转动，点击－10mm，电机会反转。用同样的方式可以测试Y轴和Z轴，注意，更改测试的电机时应该关闭电源，连线完毕后再打开电源。挤出电机当温度达不到时是不能测试的，可以将其A4988驱动板安装到XY或Z上进行测试，以保证驱动器的正常。

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