微型FDM型3D打印机的研制设计.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流微型FDM型3D打印机的研制设计.精品文档.毕业设计（论文） 设计（论文）题目：微型FDM型3D打印机的研制毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明

2、本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后

3、果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日注 意 事 项1.设计（论文）的内容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300字左右）、关键词4）外文摘要、关键词 5）目次页（附件不统一编入）6）

4、论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论7）参考文献8）致谢9）附录（对论文支持必要时）2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。4.文字、图表要求：1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印4）图表应绘制

5、于无格子的页面上5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档5.装订顺序1）设计（论文）2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订摘要FDM快速成型技术，是3D打印技术的一种，它利用热塑性材料受到挤压成为半熔融状态的细丝，将熔融状态的细丝采用层层堆栈的方式，从3D CAD资料直接建构原型的技术。微型FDM型3D打印机是在FDM技术的理论基础上，研制成的一种桌面级的3D打印机，它为特种加工课程提供教学用具。本文在综合介绍FDM型3D打印机基本内容的基础上，重点介绍了打印原理及打印机的结构，并对其结构进行了详细的分析。自制FDM型3D打印机遵循了3D打印机开源的设计理念

6、，同时让设计者在动手实践中不断修改并优化设计方案，满足自身创新与创意的需要。关键词：FDM技术 快速成型 3D打印机 特种加工 开源 AbstractFDM rapid prototyping techniques, a 3D printing technology, which uses a thermoplastic material extruded into filaments by a semi-molten state, the filaments molten state with the method of layer upon layer stack, constructin

7、g a prototype technology directly from 3D CAD data. FDM 3D printer is a miniature model based on the theory FDM technology,developed into a desktop 3D printer, it provides teaching aids for the“special processing”courses.This paper describes a comprehensive FDM 3D printer basic content type,based on

8、 the principles and focuses on the structure of the printer to print, and its structure was analyzed in detail.Homemade FDM type 3D printer follows the design philosophy of open source, while allowing designers to continually modify and optimize the design of the hands-on practice, and innovative id

9、eas to meet their own needs.Keywords: FDM technology Rapid prototyping 3D printer Special processing Open source目 录第1章 前言41.1 课题的背景和意义41.2 FDM型3D打印机的国内外发展状况41.3 本课题主要设计内容5第2章 FDM型3D打印机打印原理及结构分析62.1 打印原理62.2 结构分析62.2.1 机械部分62.2.2 电路部分92.2.3 软件部分11第3章 主要零部件选择、电路测试过程163.1 主要零部件选择163.1.1 电机的选择163.1.2 挤出

10、头的选择173.1.3 送丝机构的选择173.1.4 打印材料的选择183.2 电路测试过程183.2.1 测试准备183.2.2 连接电路板及测试电路19第4章 打印机的组装及打印运行204.1 打印机的组装204.2 打印运行21结论22谢辞23参考文献24第1章 前言1.1课题的背景和意义3D打印机（3D Printers）是一位名为恩里科迪尼（Enrico Dini）的发明家设计的一种不同于普通打印机的机器，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印机与普通打印机工作原理基本相同，只是打印材料不同，普通打印机的打印材料是

11、墨水和纸张，而3D打印机内装有金属、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”，是实实在在的原材料，打印机与电脑连接后，通过电脑控制可以把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。3D打印带来了世界性制造业革命，以前是部件设计完全依赖于生产工艺能否实现，而3D打印机的出现，将会颠覆这一生产思路，这使得企业在生产部件的时候不再考虑生产工艺问题，任何复杂形状的设计均可以通过3D打印机来实现。它无需机械加工或模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的物体， 从而极大地所缩短了产品的生产周期，提高了生产率。FDM技术利用热塑性材料受到挤压成为半熔融状态的细丝，由沉积在层层堆栈基础上的方式，

12、从3D CAD资料直接建构原型。FDM技术的优势在于机械结构简单，设计容易，制造成本、维护成本和材料成本低，对环境无污染，因此FDM也是在家用的桌面级3D打印机中使用得最多的技术。自制微型FDM型3D打印机，能够为特种加工课程在课堂上提供教学用具，为老师在课堂授课提供方便，也能使学生对FDM型3D打印机的了解更加深入。1.2 FDM型3D打印机的国内外发展状况国外占据3D打印产业主导地位的美国3D systems、stratasys等公司，每年都投入1000多万美元研发新技术，研发投入占销售收入的10%左右。两家公司不仅研发设备、材料和软件，而且以签约开发、直接购买等方式，获得大量来自企业外部

13、的相关细分技术、专利，已掌握一批关键核心技术。目前，世界主要发达国家纷纷开始布局，陆续出台了相关政策和投资发展计划，大力发展3D打印产业，旨在占领新工业革命的前沿阵地。一方面，美国总统奥巴马在“国情咨文”中多次提及3D打印，并筹划建立3D打印国家创新中心，旨在提升美国制造业的竞争力；另一方面，从欧美各国最新的太空探索计划中，也可以看到对3D打印技术相关项目的巨额资助。国内部分企业对FDM型3D打印机对外国的设计方案进行改进，不断完善3D打印机。如闪铸公司基于Makerbot机型开发的产品Creater。它改进了挤出头中喉管的制作工艺，使耗材融化后能够顺利的流动，且凝固后不易沉积。挤出头全新的挤

14、出组件使塑料丝不易打滑，送丝精确。但是，国内企业购置3D打印设备的数量非常有限，应用范围狭窄。在机械、材料、信息技术等工程学科的教学课程体系中，缺乏与3D打印相关的必修环节，3D打印停留在部分学生的课外兴趣研究层面，综合来看，自制微型FDM型3D打印机对促进老师课堂教学以及学生对3D打印机的深入了解具有十分重要的意义。1.3 本课题主要设计内容根据收集的FDM型3D打印机的相关资料，了解3D打印机结构的具体组成，包括机械部分、电路部分及软件部分。机械部分学习了解步进电机的驱动与控制、机床的结构，重点研究打印头的结构，以及影响打印头打印精度的因素，并将整理好的零部件组装，制作出一台完整的FDM型

15、3D打印机实物；电路部分需要了解相关电路板的知识，并在网上购买电路板，组装电路板；软件部分包括上位机软件和下位机软件，上位机软件，即运行在电脑上的软件，分为2大部分，切片和控制；下位机软件，即运行在3D打印机主板上的软件，主要做电机控制，软件算法和通信，在3D打印机中为Marlin固件。 本课题组共两人，作者主要负责对FDM型3D打印机的研制。第2章 FDM型3D打印机打印原理及结构分析2.1 打印原理FDM（Fused Deposition Modeling，熔融沉积成型工艺）是目前比较成熟的快速成型工艺中的一种技术，它是继LOM（分成物体制造）工艺和SLA（激光快速成型）工艺之后发展起来的

16、一种3D打印技术。FDM工艺的基本原理为FDM INSIGHT软件自动将3D数模（由CATIA或UG、PRO-E等三维设计软件得到）分层，自动生成每层的模型成型路径和必要的支撑路径。热融头将丝状热熔性材料加热融化，通过带有一个微细喷嘴的喷头挤喷出来，由于成型室保持一定的温度，该温度下熔融的材料既可以有一定的流动性又能保证很好的精度。一层成型完成后，机器工作台下降一个高度（即分层厚度）再成型下一层，如此直到工件完成。FDM快速成型技术利用热塑性材料受到挤压成为半熔融状态的细丝，由沉积在层层堆栈基础上的方式，从3D CAD资料直接建构原型。FDM可采用的成型材料很多，如改性后的石蜡、(丙烯腈丁二烯

17、苯乙烯)共聚物(ABS)、尼龙、橡胶等热塑性材料，以及多相混合材料，如金属粉末、陶瓷粉末、短纤维等与热塑性材料的混合物。其中PLA（聚乳酸）具有较低的收缩率，打印模型更容易塑形，以及可生物降解等优点，现今大多数桌面FDM型3D打印机均采用这种材料。2.2 结构分析2.2.1 机械部分FDM型3D打印机的机械部分最为复杂，涉及到的零部件也比较多，如图2-1，为3D打印机完整结构图，制作一台完整的FDM型3D打印图2-1机，简单来说，首先需要制作3D打印机的外部基本框架结构，在此框架上才能安装搭建其它零部件。3D打印机可以采用激光切割后的实木板或者铝型材作为机器的框架，如图2-2、图2-3中所示，

18、这里，作者采用实验室已有的材料铝型材搭建打印机的框架。 图2-2 铝型材框架 图2-3 木制框架框架组装完成后，接着需要在框架上搭建一个三轴联动的平台，即控制打印头在X、Y方向的运动，打印台在Z方向的运动，X、Y轴分别采用两个步进电机驱动，步进电机与同步带相连，图2-4中，滑块一端固定在图2-5中的同步带上，通过光杆的导向作用，同步带带动滑块运动，进而带动打印头在X、Y轴的运动。 图2-4 滑块 图2-5 同步带同样，Z轴采用步进电机驱动，如图2-6，步进电机与丝杆相连，带动丝杆在Z轴运动，同时Z轴需要安装两根光杆，起导向作用，通过这些结构，带动打印台在Z方向运动。图2-7中所示，由于实验室另

19、外有多余的XY轴的运动平台，只需固定其中一个方向，让另一个方向在Z方向运动，由此替代丝杆的传动。 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，

20、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3

21、D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，

22、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

23、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

24、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

25、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

26、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

27、为33。其它参数暂时默认即可。软件运行如图2-12中所示。图2-12 Marlin固件Marlin固件是比较新的一个固件，并且很多使用对其进行了改进，它有如下一些特点：有预加速功能，使得打印机在打弧线时速度更快、更流畅；温度测量更精确、读数更准确；自动调节的PID温度控制；最早支持LCD显示，以及支持SD卡。b) 上位机切片软件Slic3rSlic3r为3D打印机的切片软件，它的作用是将三维模型的STL文件进行切片分层，切片设置完成后，输出G代码，在Pronterface中打开G代码。图2-13 Slic3r软件设置Slic3r的设置参数比较多，图2-13为对一长方体模型进行切片设置，图中可以

28、看到，Slic3r第一个工具叫Plater，它允许在进行切片前加载和安排一个或多个模型。由三维软件获得模型的STL文件，将它拖到Plater（或者通过文件菜单打开），plater将会加载它，并在距离模型几毫米的周围产生一条skirt轮廓线，模型也可以在软件中进行重新定位。软件界面右侧则是对加载模型的操作选项，可以通过选项对模型进行调整，具体操作命令的意义如下。l More/Less 增加或减少模型数量。l 45/Rotate 旋转，Z轴45度旋转，顺时针或逆时针。l scale 比例，放大或缩小。l split 分裂，把一个模型分裂成多个部分组成并允许每个单独安排。 在文件列表的底部按钮可以添

29、加、删除、自动安排和导出模型。l Add 添加模型。l Delete/Delete All 删除一个模型或所有模型。l Autoarrange 自动安排最优布局。l Export G-code 切片模型并生成G-code。l Export STL 保存当前设定的模型。Slic3r后面的三个设置为打印设置，填充设置以及打印机的设置，根据需要逐步进行设置，这里不再列出其具体的设置选项。根据作者对打印机最终的调试结果显示，打印第一层的重要性必须引起注意，如果第一层没有处理好，将导致彻底失败，模型将部分分离和扭曲。下面是为提高第一层的打印精度，作者总结的一些注意事项。第一层高度：第一层作为粘接层需要更

30、多的热量以及挤出跟多耗材，一般设置为喷嘴直径。例如0.4mm的喷嘴则设置第一层高度为0.4mm。更宽的挤出宽度：材料接触打印床越多越好，这个可以通过设置挤出第一层宽度设置，可以使用百分比和固定值两种方式设置。 推荐大约200%的设置，但是这个要结合第一层打印高度设置，例如第一层打印高度设置为0.1mm，挤出宽度设置为200%，那么实际得到的宽带是0.2mm,这个是小于喷嘴直径的，这样会导致挤出过少的熔丝打印失败。更高的打印温度：挤出机加热端假如加热了，可以设置第一层温度更高点，这样可以降低打印耗材的粘度，做为一个经验值参考，推荐额外提高5C。打印床位置的水平：有一个水平的床至关重要。喷嘴位置与

31、打印床接触过低将会堵住喷嘴口并擦伤打印床，过高将导致打印丝不能粘在打印床上。Slic3r是一个比较实用的分层工具，软件中的很多参数都是分层工具自己算出来的，用户只需要填写少量的配置参数，并且因为它易于使用，分层速度快，打印质量高，如今是非常流行的分层工具。c) 上位机打印控制软件Pronterface通过Slic3r切片完成后保存的文件G-code，在Pronterface中打开，如图2-14所示，将打印机主板与电脑主机通过USB接口连接后，选择与打印图2-14 Pronterface机主控板相同的端口，点击界面上的Connect按钮，实现电脑与打印机的连接，此时，可以对打印机进行直接操作。P

32、ronterface中也可以对打印进行设置，下面对Pronterface界面功能进行介绍。Port选项用于连接端口的选择，将打印机与电脑连接后，通常会自动转变为当前对应端口。如果没有自动转变，可重启Pronterface软件，或者手动选择（通常为编号最后一个）。前面已经说明，波特率应与Marlin固件的波特率一致，改为250000（只要固件与控制软件设置的波特率一致即可）。Connect/Disconnect按钮用于打印机与电脑的连接或断开。Reset按钮用于重置打印机设置。Loadfile按钮用于载入打印模型的G代码文件。Compose用于Pronteface软件在简单模式和一般模式之间的选

33、择，建议使用一般模式，即默认的视图模式。SD卡按钮用于装备SD卡扩展插槽的机型，可从事先准备好的SD中提取相关模型的G代码。Print是开始打印的命令按钮。Pause是打印中途暂停按钮，但打印过程中按此键有可能造成模型数据前后不一致，建议一次性打印完毕。XY轴、Z轴用于调整机器X、Y、Z的最高运行速度，可根据实际情况适当调整。图左侧的X、Y、Z圆形区域版块用于电机调整，其中左下角房屋按键用于将X、Y、Z轴归零，使得打印头确定原点位置。界面中的数字表示点击一下该按钮，各轴移动的距离，单位是mm。需要注意的是，打印机因型号不同，实际运行轨迹可能与箭头指示方向相反，这个作者只需将步进电机不同两相的接

34、线互换位置即可。Heat选项指打印头温度设置，可根据打印耗材的不同，在ABS和PLA两种材料之间选择相应温度，然后点击Set按键开始加热。Off按键用于停止加热。Bed选项指热床温度设置，由于作者制作时未使用热床，不必对其进行设置。Extrude按钮用于控制挤出机挤出动作，Reverse按钮用于控制挤出机后退动作。需要注意的是，只有当打印头温度达到规定温度（如ABS：230度，PLA：185度)，挤出机才会做出相应动作。特别需要注意的是，当每一次启动3D打印机时，是没有确定其原点的，不要选择过大单位（如100mm）的按钮或连续点击小单位按钮进行测试，以免对机器造成损害。只有将打印头至于原点（即

35、通过点击左下角房屋按钮确定），打印机的有效行程才能固定激活，避免机器损害。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

36、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

37、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=20016512=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。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

38、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

39、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

40、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：l 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。l PLA具有较低的收缩率，即使打印较大尺寸的模型时也表现

41、良好。l 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。l PLA在打印時为棉花糖气味，不像ABS那样有刺鼻的不良气味。l 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。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ToolsBoardsArduino Mega 2560，然

42、后选择串口ToolssSerials 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Pronter

43、face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

44、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200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

45、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。第4章 打印机的组装及打印运行4.1 打印机的组装3D打印机的组装过程，就是将已经准备的零部件按照一定的顺序和步骤逐步安装起来，最后形成一台完整打印机的过程。图4-1为一台理论标准制作的3D打印机，图4-2为作者安装完后的打印机整体结构图，下面介绍打印机的组装过程。 图4-1 标准3D打印机 图4-2 打印机实际组装图首先作者进行打印机框架的组装，如图4-2所示，将准备好的12根铝型材，底面和顶部分别使用4根，竖直方向也使用4根，使用图4-3所示的 图4-3 直角连接件 图4-4 滑块直角连接件

46、、图4-4所示的滑块连接，用螺栓拧紧固定，构成打印机的基本框架。然后开始搭建XY轴所在平面，与组装打印机外部框架相似，将8根铝型材相互连接，并安装上光杆与箱式轴承滑块，安装挤出头的铝型材固定在两根光杆中间，并连接上同步带与XY轴步进电机，XY轴所在平面也是由直角连接件和滑块，固定在打印机的外部框架上。图3-1中，步进电机由电机座安装在铝型材上，在第二章中作者已经介绍，挤出头通过螺纹与滑块连接，滑块由电机带动，在直线导轨上运动。前面已经提到，作者制作时使用XY轴所在平面的运动平台，固定其中一个方向，让另一个方向在Z方向运动，由此替代丝杆的传动。由此，打印台的Z方向运动也就确定了。由于作者未购买打

47、印台，作者用方形木板代替打印台进行打印。4.2 打印运行电路连线测试完毕，以及机器组装均完成后，就可以打印三维模型了。如图4-5，作者用solidworks画了一个20208的长方体块，保存的STL文图4-5 长方体模型件在切片软件中打开，然后发送G代码到Pronterface中，点击连接进行打印。第一次打印失败，原因是作者用限位开关找打印原点时，限位开关的位置设置不够精确，使得Z方向上喷嘴最下端与打印台距离相距过大，材料未成功粘到打印台上。由于手动肉眼调整限位开关位置，所以误差存在也比较正常，需要多次调整找正原点位置。经过多次测试，在成功找正原点后，再次运行，第一层材料顺利粘接到打印台上，但打印过程中作者发现，打印第一层以上各层时，喷嘴下端进入被加热熔化的材料中，使喷嘴拖动材料在打印台上运动，也未打印出完整模型。作者在切片软件中将