任务1.5
熔融沉积成型打印机操作与多孔位排插产品打印

1.5.1 熔融沉积成型打印机设备结构

FDM制造系统包括硬件系统、软件系统，硬件系统主要指 3D打印机本身，一台利用FDM技术的 3D打印机包括工作平台、送丝装置、加热喷头、储丝设备、恒温箱温控系统和控制设备组成。以下以东莞一迈智能装备有限公司MAGIC-HL-L为例介绍FDM快速成型系统，如图 1.5.1所示。

设备的主要参数：

1）成型平台尺寸：310 mm×310 mm×480 mm

2）打印精度：0.15 ／0.20 ／0.25 ／0.30 ／0.35 ／0.40 mm

3）打印喷头：可拆卸双喷头

4）喷嘴直径：0.4 mm

5）恒温腔内最高温度：90℃

（1）机械系统

MAGIC-HL-L机械系统包括运动、喷头、成型室、材料室、控制室和电源室等单元。其机械系统采用模块化设计，各个单元互相独立。如运动单元只完成扫描和升降动作，而且整机运动精度只取决于运动单元的精度，与其他单元无关。因此，每个单元可以根据其功能需求，采用不同的设计。运动单元和喷头单元对精度要求较高，其部件的选用及零件的加工都要特别考虑。电源室和控制室加装了屏蔽设施，具有防干扰和抗干扰功能。

基于PC总线的运动控制卡能实现直线、圆弧插补和多轴联动。PC总线的喷头控制卡用于完成喷头的出丝控制，具有超前与滞后动作的补偿功能。喷头控制卡与运动控制卡能够协同工作，通过运动控制卡的协同信号控制喷头的启停和转向。

制造系统配备了三套独立的温度控制器，分别检测与控制成型喷嘴、支撑喷嘴和成型室的温度。为了适应控制系统长时间连续工作的高可靠性要求，整个控制系统采用了多微处理机二级分布式集散控制结构，各个控制单元具有故障诊断和自修复功能，使故障的影响局部化。由于采用了PC总线和插板式结构，使系统具有组装灵活、扩展容量大、抗干扰能力强等优点。

该系统关键部件喷头的结构：喷头内的螺杆与送丝机构用可沿R方向旋转的同一步进电机驱动，当外部计算机发出指令后，步进电机驱动螺杆，同时，又通过同步齿形带传动与送料辊将料丝送入成型喷头。在喷头中，由于电热棒的作用，丝料呈熔融状态，并在螺杆的推挤下，通过铜质喷嘴涂覆在工作台上。

（2）软件系统

软件系统包括几何建模和信息处理两部分。几何建模单元是由设计人员借助CAD软件构造产品的实体模型或者由三维测量仪（CT、MRI等）获取的数据重构产品的实体模型。最后以STL格式输出原型的几何信息。

信息处理单元由STL文件处理、工艺处理、数控、图形显示等模块组成，分别完成STL文件错误数据检验与修复、层片文件生成、填充线计算、数控代码生成和对成型机的控制。其中，工艺处理模块根据STL文件判断成型过程是否需要支撑，如需要则进行支撑结构设计与计算，并以CLI格式输出产生分层CLI文件。

（3）供料系统

UP2 成型系统要求成型材料为ϕ1.75 mm的丝材，并且有较低的凝固收缩率、陡的黏度曲线和一定的强度、硬度、柔韧性。一般的塑料、蜡等热塑性材料经过适当改性后都可以使用。目前已经成功开发了多种颜色的精密铸造蜡丝、ABS塑料丝等。

（4）设备控制系统界面

设备控制系统菜单结构图如图 1.5.2 所示。

机器控制系统各页面说明如图 1.5.3 所示。

1.5.2 熔融沉积成型打印机分类

（1）FDM机器传动分类

主流的FDM 3D打印机按照传动方式主要分为 3 种：XYZ型、CoreXY型和三角型。

1）XYZ型

XYZ型 3D打印机的特点三轴传动互相独立：三个轴分别由三个步进电机独立控制（有些机器Z轴是两个电机，传动同步作用），如图 1.5.4 所示。

总体来说，XYZ型结构清晰简单，独立控制的三轴，使得机器稳定性、打印精度和打印速度能维持比较高的性能。

2）CoreXY型

CoreXY结构是由Hbot结构改进来的。Hbot结构的主要优点：速度快、没有X轴电机一起运动的负担。还有就是可以做得更小巧，打印面积占比更高，如图 1.5.5 所示。

两条传送皮带看上去是相交的，其实分别在两个平面上，一条在另外一条上面。而在X、Y方向移动的滑架上则安装了两个步进电机，使得滑架的移动更加精确而稳定。

3）三角型

三角型也叫并联臂结构，是一种通过一系列互相连接的平行四边形来控制目标在X、Y、Z轴上的运动的机械结构，很多创客在设计自己的 3D打印机时借鉴了这种三角并联式机械臂的特点，于是就出现了如今我们常见的外形接近三角形柱体的三角式 3D打印机，玩家们称其为三角型打印机，如图 1.5.6 所示。

采用三角型能设计出打印尺寸更高的 3D打印机。三轴联动的结构，传动效率更高，速度更快。但是由于三角的坐标换算是采用插值的算法，弧线是用很多条小直线进行插值模拟逼近的，小线段的数量直接影响着打印的效果，造成三角的分辨率不足，打印精度略低。

（2）FDM机器挤出机分类

FDM机器挤出机有两种类型：近程挤出机和远程挤出机。

1）近程挤出机

一般挤出机和步进电机安装在喷头上，直接给喷头送料，如图 1.5.7 所示。

近程挤出机优缺点如表 1.5.1 所示。

2）远程挤出机

一般挤出机和步进电机安装在机器外壳上，通过特氟龙管远程给喷头送料，如图 1.5.8 所示。由于送料距离过远，一旦使用弹性耗材就会导致无法正常输送材质的情况出现，远程挤出方式的 3D打印机一般都不能支持弹性材质的打印。

远程挤出机优缺点如表 1.5.2 所示。

1.5.3 任务实施——多孔位排插产品打印

打开料舱检查剩余材料（图 1.5.9）。

装载料卷，将丝材插入供料导管（图 1.5.10）。

将丝材插入挤出机进料口，插入SD卡后打开电源开关（图 1.5.11、图 1.5.12）。

在控制面板中启动预热功能，点击屏幕中央的温度数值，机器开始加热（图 1.5.13、图 1.5.14）。

在控制面板点击装卸材料按钮，进入手动挤出控制界面，点击喷嘴开始挤出（图 1.5.15—图 1.5.17）。

当喷嘴挤出丝材粗细均匀时表明材料供应顺畅，此时停止挤出，上料完成（图 1.5.18、图 1.5.19）。

在控制面板中打开调平功能，点击屏幕上的下一点按钮（图 1.5.20、图 1.5.21）。

在喷头运动停止后根据喷嘴与平台距离调整螺母，调整完成后点击下一步，重复至屏幕提示调平完成（图 1.5.22—图 1.5.24）。

点击打印，在插入机器的SD卡中找到软件操作中导出的GCODE文件（图 1.5.25、图1.5.26）。

然后选择该文件，点击开始打印，此时，控制界面跳到打印信息页，机器开始打印（图1.5.27、图 1.5.28）。

打印完成后，机器停止运作，等打印室内温度降下来后打开打印室门（图 1.5.29、图 1.5.30）。

使用铲刀等工具将工件从打印平台上取下（图 1.5.31、图 1.5.32）。