带有多路摩擦送料系统的彩色FDM-3D打印机的制作方法

本发明属于机械领域，确切的讲是一种利用摩擦片允许滑差的丝状耗材产生推力的供料装置及其彩色FDM-3D打印机。

[技术背景]

熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling,FDM)快速成型工艺是将各种丝材(如工程塑料ABS、聚碳酸酯PC等)加热熔化进而堆积成型方法，简称FDM。大部分FDM快速成型技术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。

FDM：熔融沉积成型技术是，熔融沉积成型工艺(Fused Deposition Modeling，FDM)是继LOM工艺和SLA工艺之后发展起来的一种3D打印技术。该技术由Scott Crump于1988年发明，随后Scott Crump创立了Stratasys公司。1992年，Stratasys公司推出了世界上第一台基于FDM技术的3D打印机——“3D造型者(3D Modeler)”，这也标志着FDM技术步入商用阶段。

FDM成型原理相对简单，结构部分包括:XOY轴平面寻址行走机械系统、Z轴垂直寻址行走机械系统、挤出机组件、送料系统、电控系统、打印物件承载台及操作面板等部分.

打印之前FDM 3D打印机内置软件自动读取3D模型数据并将其分层,分层之后，经过高温熔化的液态通过挤出机的喷口挤出，挤出后遇冷迅速凝结固化，然后通过挤出机在平面上的摆动以及打印板向下位移形成立体实物。

3D打印需要经过3D扫描、3D建模的过程，最终完成3D打印成品。当然，基于FDM成型技术的3D打印机也不例外。除去3D扫描、3D建模过程，就3D打印本身而言，FDM成型技术一般经过以下环节。首先FDM软件对3D模型数据进行分析、分层，生成打印路径以及支撑路径。其次，挤出机和打印平台会升至3D模型设置的温度。

最后，打印过程中，挤出机在平面上的位移以及打印平台上下位移会形成 一个三维空间，挤出机和打印平台根据生成的路径进行打印。在打印过程中，挤出机完成一个平面上的打印任务后，打印平台自动下降一层，挤出机继续打印。循环往复直至成品的完成。

在打印过程中，插入挤出机的线材会迅速融化，通过挤出机挤出瞬间凝结。挤出机温度较高，根据材料的不同以及模型设计温度的不同，挤出机的温度相对也不同。为了防止打印物体翘边等问题的出现打印平台一般为加热，打印平台上一般覆盖粘贴纸以便于打印成品的剥离。

熔融沉积成型的原理如下：先是向计算机输入切片文件(截面轮廓信息),切片的厚度一般选取为:0.1-0.6毫米之间；加热喷头在计算机的控制下，根据产品零件的(切片)截面轮廓信息，作X-Y平面运动，热塑性丝状材料由供丝机构送至热熔喷头，并在喷头中加热和熔化成半液态，然后被挤压出来，有选择性的涂覆在工作台上，快速冷却后形成一层大约0.127mm厚的薄片轮廓。一层截面成型完成后工作台下降一定高度，再进行下一层的熔覆，好像一层层"画出"截面轮廓，如此循环，最终形成三维产品零件。

目前的FDM-3D技术与精雕技术(CNC)的结合还没有一个在成本，效果能尽善尽美的方案。

下面通过,以开源软件的版本为例对切片的程序操作进行说明:

智垒科技在打印三维模型的时候是需要将三维模型文件生成导出为STL格式的文件，然后将STL格式文件生成Gcode格式的文件才可以对其进行打印操作的，接下来我就教给大家如何进行设置Cura软件的各个参数选项，进而使得生成的Gcode代码更好地进行打印；首先我们需要事先做出一个模型，在这里智垒科技制作的是一个小方块的模型文件，智垒科技可以在3ds max中制作，也可以在Solid Works丶UG丶MAYA等其他的三维模型制作软件中制作。接下来，智垒科技需要在3ds max中将此方块的模型进行导出，导出为STL格式的文件，并命名为适当的文件名称，值得注意的是命名的时候要使用英文或者拼音命名操作，或者字母加数字两者组合。为接下来的使用“Cura软件”生成Gcode格式的可打印格式文件做好准备工作：在导出的时候，智垒科技会看到一个提示选项框，需要智垒科技选择生成什么格式的STL文件，是“二进制”的还是“ASCII”码的，而且还有一个复选框“仅选定”这里智垒科技需要选择“二进制”，不选择“仅选定”复选框，这样智垒科技导出STL格式的文件才会更有利于智垒科技打印操作。导出STL格式文件之后智垒科技会得到一个命名为“fkuai”的文件，然后智垒科技就可以在Cura软件中进行设置具体参数进行打印了。

接下来智垒科技打开Cura软件，将智垒科技导出的STL格式的三维模型文件在Cura软件中打开。接下来告诉大家怎么设置Cura软件的打印选项设置：开启回抽是指如果在同时打印两个或多个模型的时候喷头在物体之间非打印区域移动的时候回抽一部分耗材,防止拉丝现象,填充密度是指模型内部填充结构0％为空心物体100％为实心物体填充密度越大重量越大,相对的时间也会增加打印 速度需要根据实际打印模型的大小结构等合理调整,初始打印第一层时打印机默认速度为20,可根据此速度自行设置推荐高质量打印30-40速度,一般打印50-60速度,高速打印80-100,打印温度根据所用耗材的材质来决定一般PLA材料为210左右,ABS为230左右；支撑内分为两种类型:第一项为外部支撑:即与打印机平台能有接触的支撑结构第二项Everywhere是指所有出现悬空结构的地方均给予支撑辅助；平台附着类型也是有两个类型:第一项为模型外围附加一圈底座帮助模型更牢固的粘附在平台上,第二项为模型整个底部附加底座来帮助模型粘附在平台上这里一般推荐使用第一项即可；线材直径是指3D打印机所使用的耗材的直径大小,这里因为是使用的3MM的耗材,输入2.95即可流量值100％；智垒科技还需要对其他的两个重要参数进行设置：“机器设置”和“高级设置”。机器设置需要注意的设置选项是“平台大小”及"挤出量"的设置；高级设置一般只需要将这里支撑的填充密度改动即可.

挤出机总成是FDM快速成型技术的核心的部件，大多数采用加热棒对铝块进行间接加热法,将塑料丝通过挤出机总成的入口端挤入，再通过喉管导向，到达铝块加热部位，经过熔化，进入喷嘴区域，最后由挤出孔挤出,融化后的塑料丝在后续进丝的(活塞)压力的作用下从喷嘴挤出。

挤出机总成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，由于挤出机总成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。同时作者在挤出机总成外加散热片和风扇，主要也是为了降低喉管上部的温度，防止堵头问题，也可以为挤出机总成散热。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。

单挤头相比较，双挤头采用两个挤出机总成并列排列，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。位于挤出机总成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。

加热喷头携带挤出孔在计算机的控制下，根据产品零件的截面轮廓信息，作X-Y平面运动，快速冷却后形成一层大约0.127-0.50mm厚的薄片轮廓。一层截面成型完成后工作台下降一定高度，再进行下一层的熔覆，好像一层层"画出"截面轮廓，如此循环，最终形成三维产品零件。

近端送丝就是将挤出机总成安装在打印头上，材料由挤出机总成直接挤入喉管，在铝块中融化由喷嘴喷出打印。这种安装方式由于挤出机总成与打印头一起运动，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。而远端送丝是将挤出机总成安装在离挤出机总成较远位置，驱动电机一般安装在打印机框架上，而不是安装在挤出机总成上，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。

电路部分包括：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打印机一种典型电路部分主要包括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。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Marl in固件，根据需要修改固件中部分参数来满足打印的要求。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，挤出机总成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，挤出机总成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。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轴电机及挤出机总成的动作。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，驱动板通过引脚接插到拓展板中对应的接口上。

软件部分举例：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。下位机软件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。

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技术实现要素：
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实现本方法的FDM打印机的构造主要由:XOY轴平面寻址行走机械系统、Z轴垂直寻址行走机械系统、物料挤出机组件、多路摩擦送料系统、电控系统、打印物件承载台及操作面板等部分组成；其工作过程已经在[技术背景]里进行了详细介绍:

本发明的与以往技术的不同在于多路摩擦送料系统上,多路摩擦送料系统的构成为:加工有螺纹(2)及多个凹槽(5)的供料主轴(1)、螺母(4)、推力弹簧(3)、带有销钉孔(13)的止转挡圈(8)、滑轮(6)、摩擦片(7)、辅助轴(20)、胶质滑轮(9)及卡簧(10)；滑轮(12)可以代替支撑胶质滑轮(9)等组成.

工作原理为:支撑结构体(21)负责固定驱动电机(19)及约束供料主轴、辅助轴(20)作定轴转动,驱动电机(19)通过连轴器驱动供料主轴,销钉(15)约束着止转挡圈与供料主轴同时转动,推力弹簧串联压迫着5套滑轮、摩擦片及止转挡圈产生相等的接触压力,以静摩擦的形式维持其力矩的传输；并可以使每一个滑轮都受到2片摩擦片的摩擦力的提供；每一个的滑轮的摩擦力矩基本相同；辅助轴(20)在推力弹簧(18)的推力下使得有着平动靠近供料主轴的趋势,表现为:胶质滑轮(9)压紧料丝截面(16),也就是对料丝进行压紧；胶质滑轮(9)压可以产生一定的变形；胶质滑轮(9)可以用滑轮(12)代替,此时要求要有一定的弹性,如弹性内套(17)所示.销钉(15)或止转的凸起构造约束着止转挡圈与供料主轴同时转动,料丝与滑轮之间的接触方式为:2触点方式的劈尖接触.

工作过程的力学特征:的供料主轴转动使得加于在滑轮(6)劈尖夹角内的料丝被推出,料丝的摩擦力由滑轮劈尖角度、胶质滑轮(9)的压力因素决定；当外力阻止料丝移动时,如果2片摩擦片对滑轮所提供的摩擦力矩大于等于料丝对滑轮的摩擦力矩时,表现为料丝的相对于劈尖区域的滑动；如果2片摩擦片对滑轮所提供的摩擦力矩小于料丝对滑轮的摩擦力矩时,表现为摩擦片的相对于滑轮或止转挡圈的滑动.与物料挤出机组件的协同工作过程为:当物料挤出机组件的存储物料已经满时,熔融存储腔的饱和压力促使料丝无法继续进入,料丝 停止移动(送料停止),其结果是:要么料丝相对于滑轮劈尖产了相对滑动,要么2片摩擦片对滑轮之间产生相对滑动；设定参数最好是选择2片摩擦片对滑轮之间产生相对滑动；由于摩擦片可以常态摩擦运动；符合使用寿命要求.

5路送料的工作是独立的行为；当然驱动电机的功率要足够的大；5路同时卡死的阻力最大,5路同时送料时的阻力最小,其间的力矩比值是1倍以上.

[附图说明]

标号说明：

(1)供料主轴

(2)螺纹

(3)推力弹簧

(4)螺母

(5)凹槽

(6)滑轮

(7)摩擦片

(8)止转挡圈

(9)胶质滑轮

(10)卡簧

(11)卡簧槽

(12)滑轮

(13)销钉孔

(14)电机轴

(15)销钉

(16)料丝截面

(17)弹性内套

(18)推力弹簧

(19)驱动电机

(20)辅助轴

(21)支撑结构体

[实施例证]

以下结合附图就较佳实施例对本发明作进一步说明：

图1多路摩擦送料系统主要结构件分解图。

图2多路摩擦送料系统整体装配图。

如图1所示：

供料主轴(1)上加工有:螺纹(2)、多个凹槽(5)；螺母(4)是用来挡住推力弹簧(3)的；止转挡圈(8)安装于凹槽(5)的部位,销钉孔(13)用于放置销钉,销钉嵌入凹槽(5)中,而不触底卡死,因而止转挡圈(8)可以略微轴向滑动；滑轮(6)与摩擦片(7)靠紧使用；辅助轴(20)用于支撑胶质滑轮(9),在加工有卡簧槽(11),卡簧(10)是用来将锁住.

滑轮(12)可以代替支撑胶质滑轮(9),在使用时,必须具有弹性:(17)为弹性内套.标号中的(6)、(7)、(8)、(9)及(12)表达了零部件的侧面视图与轴向视图.

如图2所示：

工作原理为:支撑结构体(21)负责固定驱动电机(19)及约束供料主轴、辅助轴(20)作定轴转动,驱动电机(19)通过连轴器驱动供料主轴,销钉(15)约束着止转挡圈与供料主轴同时转动,推力弹簧串联压迫着5套滑轮、摩擦片及止转挡圈产生相等的接触压力,以静摩擦的形式维持其力矩的传输；并可以使每一个滑轮都受到2片摩擦片的摩擦力的提供；每一个的滑轮的摩擦力矩基本相同；辅助轴(20)在推力弹簧(18)的推力下使得有着平动靠近供料主轴的趋势,表现为:胶质滑轮(9)压紧料丝截面(16),也就是对料丝进行压紧；胶质滑轮(9)压可以产生一定的变形；胶质滑轮(9)可以用滑轮(12)代替,此时要求要有一定的弹性,如弹性内套(17)所示.

工作过程的力学特征:的供料主轴转动使得加于在滑轮(6)劈尖夹角内的料丝被推出,料丝的摩擦力由滑轮劈尖角度、胶质滑轮(9)的压力因素决定；当外力阻止料丝移动时,如果2片摩擦片对滑轮所提供的摩擦力矩大于等于料丝对滑轮的摩擦力矩时,表现为料丝的相对于劈尖区域的滑动；如果2片摩擦片对滑轮所提供的摩擦力矩小于料丝对滑轮的摩擦力矩时,表现为摩擦片的相对于滑轮或止转挡圈的滑动.

与物料挤出机组件的协同工作过程为:当某一料丝物料挤出机组件的存储物料已经满时,熔融存储腔的饱和压力促使料丝无法继续进入,料丝停止移动(送料停止),其结果是:要么料丝相对于滑轮劈尖产了相对滑动,要么2片摩擦片对滑轮之间产生相对滑动；设定参数最好是选择2片摩擦片对滑轮之间产生相对滑动；由于摩擦片可以常态摩擦运动；符合使用寿命要求。