《电子技术应用》

一种彩色FDM型3D打印机的设计与实现

2017年电子技术应用第4期 作者:宋廷强,邢照合
2017/5/12 13:53:00

宋廷强,邢照合

(青岛科技大学 信息科学技术学院,山东 青岛266061)


    摘  要: 设计了一种可以打印彩色三维模型的3D打印机。传统FDM型桌面3D打印机只能打印单色,因此在开源FDM型3D打印机的基础上重新设计组合了打印机的机械结构和电气控制系统来实现打印材料的混合,借助Bresenham直线算法设计了彩色打印机的控制软件,并增加了Gcode指令。实验结果表明,这种设计可以保证打印不同颜色的3D模型,并且与原来相同类型的单色3D打印机相比,提高了打印速度。

    关键词: 3D打印;直线算法;彩色模型;Gcode指令

    中图分类号: TN05;TP391.7

    文献标识码: A

    DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2017.04.018


    中文引用格式: 宋廷强,邢照合. 一种彩色FDM型3D打印机的设计与实现[J].电子技术应用,2017,43(4):69-71,75.

    英文引用格式: Song Tingqiang,Xing Zhaohe. Design and implementation of color FDM 3D printers[J].Application of Electronic Technique,2017,43(4):69-71,75.

0 引言

    自美国麻省理工学院的SACHS E等人[1]提出3D打印技术之后,3D打印技术在国内外便开始了快速的发展[2,3]。3D打印技术也叫增材制造技术(Additive Manu-facturing,AM),其种类包括立体光刻成形(Stereo Lithography Apparatus,SLA)、选择性激光烧结成形(Selective Laser Sintering,SLS)、叠层实体制造法(Laminated Object Manufacturing,LOM)等。熔丝沉积成型(Fused Deposition Modeling,FDM)是众多3D打印技术中的一种,最初这种三维制造技术是在20 世纪 90 年代由美国人Scott Crump研制成功,由于该技术复杂性低、成本低廉、软件开源、易于推广等[4]特点受到众多企业和个人的喜爱,主要适用于家用电器、办公用品以及模具行业新产品开发,另外还被广泛用于医疗、大地测量、考古、玩具等基于数字成像技术的三维实体模型制造。

    FDM技术采用PLA、ABS等材料作为成型材料,由于材料强度的限制,主要应用于展示模型设计、创意制作[5]。也有部分科技工作者将该技术进行变型,使用巧克力、面粉浆等材料进行食品打印[6]。FDM类型的3D打印机以这种“亲民”的形式可以更多地在民众生活中出现,作为大众可以消费的电子产品。但是FDM打印技术存在着无法打印彩色模型的劣势,只能打印单色材料,这极大地限制了FDM技术的发展。不少学者也提出了双喷头、多喷头的打印机结构,虽然可以打印两种或者多种颜色,但这远远满足不了模型对于渐变颜色这种复杂颜色模型的需要。为此本文提出了一种FDM类型的彩色3D打印机的设计与实现方法,可以有效解决当前FDM类型3D打印模型颜色单一的问题。

1 机械结构与电气组成

    要实现彩色3D打印,就要对原始的FDM类型3D打印机的机械结构和电气结构进行重新设计,以实现彩色打印的需求。本文对开源的3D打印机的机械结构进行了改造和设计,并且重新设计了控制部分的电气组成。

1.1 机械结构

    本文彩色3D打印机的机械结构采用Ultimaker结构,该结构的喷头通过十字交叉的光轴进行固定,可以在保证打印质量的前提下减轻运动机构的负载,从而提高速度。

    Ultimaker结构实现彩色打印需要对喷头进行改进,实现多进一出,并且保证材料能充分混合。Richard Horne设计了一种可以同时混合3种打印材料的打印头,实现了3种颜色的混合效果;丹麦的研究者也设计出了一款混合喷头diamond hotend,本文所采用的也是这一款打印喷头。喷头通过3个进料口将PLA材料送入喷头,加热融化在压力的作用下混合通过0.4 mm的喷嘴挤出。为防止出现喷头堵头[7]的问题,张自强[8]通过流体力学分析,以ABS为例得出打印过程需要保证喷头部分维持240 ℃,而其他区域平均温度要在67 ℃以下。在此基础上,本设计设置了内外散热风扇,确保温度满足打印要求,最终设计如图1所示。

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1.2 电气组成

  电气部分主要包括主控部分和扩展部分,系统框图如图2所示。

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    为了获得更快的处理速度,提高打印机的打印精度[9],主控制器选择了基于Atmel SAM3X8E 32位CPU的Arduino Due主板,扩展板选择RAMP-FD,该扩展板最多支持6路步进电机,满足了本设计的3个独立挤出机的设计要求。本设计中采用远端送丝的挤出机结构,为保证步进电机足够的功率输出和精准送丝,步进电机驱动模块使用DVR8825模块,该模块具有32步细分,最大输出电流2.2 A[10]

2 彩色打印运动控制与指令

2.1 运动控制算法

    3D打印机工作时需要同时控制X、Y、Z 3个方向的步进电机,在打印时还需要控制E0、E1、E2 3个挤出机的步进电机按照设定的比例进行直线运动。由于需要同时协调6个通道的步进电机,因此本文基于Bresenham直线算法[11]改进了一种运动控制算法,以实现在运动过程中打印,并且保证多种颜色的均匀混合。

    Bresenham直线算法是一种计算机绘制直线的控制算法,如图3的坐标系中,绘制A、B两点的实际坐标,每次绘制点的纵坐标y所对应的误差记为ε,则该点纵坐标数学真值为:y+ε(-0.5≤ε≤0.5),从x移动到x+1,则y轴方向增加k(k为直线斜率)。

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    3D打印机各轴的运动距离是由步进电机所接收的脉冲数决定,脉冲数与最终打印头运动距离或者挤出的细丝长度呈线性关系,S表示运动距离,K为变换系数,Si为i轴接收的脉冲数。

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    定义Ci为i轴的计数器,该取值分别为x、y、z、e0、e1、e2,算法的流程图如图4所示(虚线框内部分由定时器中断函数执行)。

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    利用Smax来判断和记录长轴,保证每一轮长轴都输出脉冲信号,其他较短的轴根据判断条件来确定是否输出脉冲信号,整个判断过程均由系统定时器触发运行,通过这种方式即可达到协调6个通道步进电机的统一运动。

2.2 控制指令

    FDM类型使用Gcode文件来保存和执行相应的运动指令,在开源Gcode指令中没有控制颜色的指令,需要定义颜色控制的指令G1、M163、M165,分别实现单独直线、单独挤出机、连续直线3种方式的颜色控制。

3 实验验证

    本文基于Marlin固件进行了固件的修改,实现了运动控制算法代码,增加了G1、M163、M165等Gcode指令的解析与执行的程序代码,经过调试可实现彩色模型的打印。

    (1)验证单色打印效果。设计一个由3个长宽各为20 mm、高为2.5 mm的立方体组成的大立方体模型,3个立方体分别设置为红、青、绿3个颜色,使用Cura切片软件得到Gcode指令,通过脚本软件判断G1指令所在的区域,对不同区域内的G1指令增加混合比例,得到最终含有颜色信息的Gcode文件。打印机同样使用红、青、绿3种PLA材料,打印结果如图5所示,3种颜色可以准确分离,模型成型效果良好。

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    (2)验证颜色水平平滑过渡。设计圆柱形模型,颜色围绕中心按照红、青、绿的方式逐渐过渡,采用与单色一致的方法,获得Gcode文件,打印结果如图6所示。

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    验证颜色垂直平滑过渡。设计螺旋异形花瓶模型,设置颜色从低向上依次渐变,使用品红、黄、青 3种PLA材料,打印模型如图7所示。

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    以上3种模型使用Cura软件切片后不经过处理,使用Smartmaker打印机打印纯色模型,比较两者使用的时间,结果如表1所示。

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    通过以上的实验验证可以清楚地看出,本文所提出的设计方法可以实现模型的彩色打印,在单颜色打印、颜色水平过渡打印、颜色垂直过渡打印等方面都可获得较好效果,并且与同类型打印机相比,得益于高速处理器的使用,在速度方面也占有一定的优势。

4 结束语

    本文通过对3D打印机的重新设计与研究,基于开源的3D打印机提出了一种控制算法和相对应的控制指令,实现了模型的彩色打印,并且在速度方面也比同类型的单色3D打印机速度更快,为FDM类型的彩色3D打印提供了思路,扩展了FDM类型3D打印机的应用范围。本文虽然实现了模型的彩色打印,但还需要对切片文件进行后期处理才能进行打印,后期可以对切片软件进行修改,以达到直接输出彩色3D打印文件的效果,从而进一步提高打印效率。

参考文献

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