微型FDM型3D打印机的研制毕业设计论文

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

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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。

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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）

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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，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

Abstract

FDM 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, constructing 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 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 ideas to meet their own needs.

Keywords:FDM technology Rapid prototyping 3D printer

Special processing Open source

目录

第1章前言 (4)

1.1 课题的背景和意义 (4)

1.2 FDM型3D打印机的国内外发展状况 (4)

1.3 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 (6)

2.1 打印原理 (6)

2.2 结构分析 (6)

2.2.1 机械部分 (6)

2.2.2 电路部分 (9)

2.2.3 软件部分 (11)

第3章主要零部件选择、电路测试过程 (20)

3.1 主要零部件选择 (20)

3.1.1 电机的选择 (20)

3.1.2 挤出头的选择 (21)

3.1.3 送丝机构的选择 (21)

3.1.4 打印材料的选择 (22)

3.2 电路测试过程 (22)

3.2.1 测试准备 (22)

3.2.2 连接电路板及测试电路 (23)

第4章打印机的组装及打印运行 (20)

4.1 打印机的组装 (20)

4.2 打印运行 (21)

结论 (22)

谢辞 (23)

参考文献 (28)

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，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／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，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，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

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)Ramps1.4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

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

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。

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Slic3r

Slic3r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。

●More/Less 增加或减少模型数量。

●45/Rotate 旋转，Z轴45度旋转，顺时针或逆时针。

●scale 比例，放大或缩小。

●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加、删除、自动安排和导出模型。

●Add 添加模型。

●Delete/Delete All 删除一个模型或所有模型。

●Autoarrange 自动安排最优布局。

●Export G-code 切片模型并生成G-code。

●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5°C。

打印床位置的水平：有一个水平的床至关重要。喷嘴位置与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。Pronterface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。Load file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。