3D打印工作原理及操作步驟.doc

3D打印工作原理及操作步驟3D打印機正如其名，是一種能夠打印出3D實體的機器。如我們普通的打印機一樣，能夠在紙面上打印出任意形狀的畫面。理想的3D打印機能夠在3維空間中打印出任意形狀的實體模型，能夠不受結構工藝限制，直接將零件的3維數(shù)據(jù)資料打印成實體零件在傳統(tǒng)的機械設計程序上，一個零件需要由設計者設計完成，并繪制好2維圖紙（通常是3視圖的形式，并且有些細節(jié)部位還需要追加詳細圖）。然后把這個零件的圖紙交給機械工藝師，機械工藝師會根據(jù)你的零件圖紙排列加工制造工序，再然后工人會按照機械工藝師設計安排的工序來制造零件。通常這個流程還不能一次性完成。機械設計者設計的零件可能會有部分結構不容易加工制造，機械工藝師會將信息反饋給機械設計師，機械設計師再修改圖紙。而一旦有了3D打印機，整個流程就簡化了。設計者設計完成零件后，就可以直接制造。不需要繪制3視圖，不需要細節(jié)描述的詳細圖，不需要工藝師的編排工序，不需要工人加班，而且極少有結構工藝限制，只需要3維數(shù)據(jù)本文分為兩個部分，第一部分將為簡要介紹FDM式3D打印機的工作原理，第二部分介紹打印機的硬件和軟件操作。 第一部分：FDM式3D打印機原理簡介 任何3維物體都可以看成是由一個個面堆疊累積而成的。就像寶塔一樣，是由一層一層的樓堆起來的。比如說，一個球形物體，就可以看成是由一個個厚度很小直徑不同的圓柱堆在一起形成的。對于任何一個物體，都可以看成是由一個個厚度很小的菱形物體堆起來的。如果引用數(shù)學中的概念，那么就是，當這些菱形的厚度趨近于無窮小的時候，這個堆砌起來的實體與目標實體就是完全一致的。遺憾的是，現(xiàn)實中任何物體都是有厚度的。可是我們可以把這個厚度做到很小，小到我們能容忍的誤差以下，就夠了。 FDM式的3D打印機就是利用這個原理，將任意一個三維數(shù)據(jù)實體，切割成一個個面來分析。那么理論上只要這臺打印機能夠?qū)崿F(xiàn)打印出任意形狀的面，它就可以打印出任意形狀的物體了（不考慮重力對結構的限制因素）。 所以FDM式的3D打印機有一個噴嘴，它能夠穩(wěn)定連續(xù)的噴出直徑一定的塑料（或者其他熱融性的材料）。這個噴嘴一般由步進電機來控制移動。就像我們捏牙膏一樣，我們一邊用力捏牙膏，一邊移動牙膏，就可以把牙膏在牙刷上涂一條直線出來。3D打印機的原理就和我們捏牙膏是一模一樣的，只是它的運動由3D實體數(shù)據(jù)來控制，而且噴出來的材料是穩(wěn)定的，它一邊噴一邊按照特定的方式移動。這 樣它就可以打印出特定的形狀來了。等熱融性的材料冷卻下來，這個實體就定形了。 那么我們怎么從手頭一無所有，到打印出一個實體呢？世界上3d設計軟件千奇百怪，我們怎么把自己設計的3維實體做成能夠被打印機應用的數(shù)據(jù)呢？ 這里一定要感謝世界上的開源組織和標準化組織（通常是行業(yè)的龍頭老大）。是他們讓我們雖然使用不同的軟件，但是我們?nèi)匀豢梢杂猛瑯拥臄?shù)據(jù)來交流。所有的3D模型都可以導出同樣格式的數(shù)據(jù)，比如說stl，x_t，step等等格式。還有控制機床運動的加工語言：G語言。 因為這些標準的存在，讓我們整個流程可以走得更順暢。從技術實現(xiàn)角度來看，要實現(xiàn)FDM式3D打印機，就只需要實現(xiàn)以下三個技術：1、 能夠?qū)?維數(shù)據(jù)格式（如：stl,x_t,step）解析成機械加工的G語言。正如前文所說，這一個步驟實質(zhì)上就是生成“捏牙膏的方法”。在這個步驟里，3維數(shù)據(jù)被解析成一層層面，面被解析成一條條線。線被解析成一條條的G代碼。這里的解析方法可以有開源社區(qū)提供。 這里也稍微簡介一下G代碼：G代碼是用來控制機械加工刀具（噴嘴）運動的代碼。2、 能夠解析G代碼的機器。通過第1個技術手段，我們有G代碼。接下來就需要一臺能夠“讀懂”G代碼的機器。要實現(xiàn)G代碼的機器，技術關鍵在插補算法。所謂的插補算法實際上就是讓刀具能夠精確的按照指令走。為了說明插補算法的功能，這里再介紹一條簡單的G代碼：G90G01X10Y10Z10F100。這條代碼中，G90表示采用絕對坐標格式，G01表示直線運動，X0Y0Z10表示目的坐標為（10，10，10），F(xiàn)100表示移動速度為100個單位每分鐘（單位可通過G20/G21指令來設置成毫米/英寸）。要控制刀具（噴嘴）走直線就和簡單的控制刀具移動到目的地不一樣的了。它不僅僅要控制結果，還要控制過程。它需要刀具（噴嘴）在三個坐標軸上的速度的合速度能夠一直在指定的直線上。當然更復雜一點的，還要求插補算法能夠?qū)崿F(xiàn)G語言的G02，G03指令。這兩條指令是控制刀具（噴嘴）畫（逆時針/順時針）圓。 簡單的說，需要有臺機器，能夠嚴格的實現(xiàn)G代碼的指令。能夠讀了G代碼后，再控制電機（通常是步進電機）來實現(xiàn)刀具（噴嘴）的運動。3、 能夠穩(wěn)定噴材料的噴嘴。事實上，這是從物理上實現(xiàn)3D打印的關鍵技術。市場上常見的噴嘴是由帶尖的金屬噴嘴，熱傳感器，加熱電阻和一個步進電機組成的。加熱電阻和熱傳感器用來控制金屬噴 嘴的溫度。步進電機用來提供材料的進給。噴嘴口的直徑很有講究。它噴出來的材料直徑直接影響到打印精度（每一層的厚度）。 第二部分：FDM式3D打印機的硬件和軟件操作 任何一臺機器都有它們自己的“脾氣”。對于3D打印機這樣追求精度至少應該在零點幾毫米一下的機器而言，也需要操作它的人注意各種細節(jié)問題。下面先從3D打印機的硬件說起。1、 溫度控制 FDM式3D打印機使用的是熱融性材料。那么對于溫度的控制就有要求。一般，加工平臺和材料噴嘴這兩個地方都需要由加熱電阻和高度太高了會使材料無法正常的粘附在平臺表面。太低了，就會讓材料變形。一般3D打印機會有配有傳感器。通過傳感器來調(diào)整這個高度?？墒?，一臺機器在剛剛裝配的時候，這個傳感器的位置可能會發(fā)生偏移。為了糾正這個可能在裝配機器時發(fā)生的誤差，我們有兩種方法來修正它。第一，是從硬件上調(diào)整傳感器的位置。第二，是從軟件上修改3D打印機的Z軸偏移量。工作臺的平面度如果不好，就會出現(xiàn)打印工作時無法保證所有地方都有合適高度。通常的3D打印機會有四個調(diào)節(jié)螺絲來調(diào)節(jié)工作平臺的水平度。在使用之前必須要做的就是調(diào)節(jié)工作平面讓它水平。但是，如果真是出現(xiàn)了工作臺平面度差，無法修正，是不是就沒有辦法了呢？平面度好，固然是最好，如果強求不來，工程師們也想出了應對辦法。這個應對辦法將在后面的軟件部分介紹。 工作平臺的表面材料也十分重要，工作平臺的表面與剛剛被噴出來的材料接觸。這就要求工作臺的表面至少能夠耐住材料溫度，同時它還能粘住材料（因為打印機工作的時候被噴出來的成形的部分可能會因為噴嘴或者平臺的移動而發(fā)生移動從而導致前功盡棄?。?。不僅如此，由于前面溫度控制提到過的，工作平臺還需要有一定的導熱性。2、 步進電機 步進電機是驅(qū)動部件，一般打印機在出產(chǎn)的時候就會設定好它的脈沖寬度等等。這些參數(shù)基本上能夠保證電機穩(wěn)態(tài)運行時的工作?？墒?，這里要著重提到的一點，3D打印機對步進電機的動態(tài)特性也有硬性要求。噴頭的運動，在很多情況下，需要快速響應。這里簡單提 一下動態(tài)特性。我們從小到大接觸過很多物理運動問題。這里物理運動都十分的理想。要么就直接勻速運動，要么就直接加速運動。對于受力問題，給一個物體施加一個作用力，那么這個物體就立刻受到了力的作用。事實上，這些東西，在現(xiàn)實生活中都不存在。一個物體要有一個速度，它都需要有一個速度動態(tài)變化的過程。一個物體要受到一個10牛頓的力，在你給與它10牛頓的力后，它也不會立刻就受到這么大的力。物體的受力也有變化過程，如果你直接用力去推一個物體，宏觀上首先發(fā)生的事情是你的手掌與物體被壓縮。在被壓縮的過程種，物體受到的力會漸漸的越來越大，到后來還會發(fā)生振蕩。這也是個動態(tài)的變化過程。那么再回到步進電機的問題，在你給出步進電機的脈沖頻率后，它不會立刻按照這個頻率來工作，它也會有一個動態(tài)的變化過程。在控制學上，用調(diào)節(jié)時間，超調(diào)量，穩(wěn)態(tài)誤差，穩(wěn)定度這四個量來評價控制過程。針對的機器也略有不同，replicatorg可以用在很多種機器上面，功能非常強大。要讓軟件去正確地完成它自己的工作，你需要告訴它一些關于機器的參數(shù)。比如說，材料的直徑，材料需要的加熱溫度，進給速度等等。1、 參數(shù)設置 你需要設置比較重要的參數(shù)有：材料原始直徑，材料噴出直徑，噴嘴溫度，工作平臺溫度，座標軸的運動速度，材料進給速度，每一層的高度，材料的填充百分比，邊界層數(shù)。下面一一介紹這些參數(shù)的作用和設定方法。 材料原始直徑指的是材料在沒有加熱時，進入加熱噴嘴之前的直徑。這個參數(shù)一定要盡可能設置得與實際數(shù)值吻合。因為它將和另外一個參數(shù)，材料的噴出直接，共同決定材料進給量的計算參數(shù)。比如說，原始直徑是噴出直徑的3倍，那么噴出口的噴出長度就是進去入口進入長度的3倍。 材料的噴出直徑，在上一段已經(jīng)介紹。 噴嘴溫度是材料擠壓出口時的溫度。這個溫度的重要性，在硬件介紹的部分已經(jīng)提過。它需要根據(jù)使用的材料而定。判斷標準是材料能夠順利被擠壓出噴頭，而且能夠很好的在工作平面上成型。 工作平臺的溫度是用來固定鋪在工作平臺上材料的。如果發(fā)生卷邊現(xiàn)象，可以嘗試增加這個參數(shù)，來提高溫度。 坐標軸的運動速度實際上是個比較復雜的參數(shù)。噴頭的運動有好幾種運動方式。比如說，在一邊噴材料一邊移動時的速度。不噴材料 僅僅是噴嘴移動時的移動運動速度。飛線（底下是空的，沒有支撐材料，像是架橋。比如打印一個空心盒子時，打印其頂面。）時的運動速度。除此之外，你還可以設置成讓它在打印第一層的時候的速度和打印其他層時候的速度不同（打印第一層時太特殊，太關鍵，是成敗的關鍵）。速度設置得太高，可能會因為電機的動態(tài)性能跟不上，而發(fā)生打印出來的絲條無法固定的現(xiàn)象。速度設置得太低，就會浪費時間。一般情況下，3D打印機廠家會給出一邊噴材料和一邊移動時速度的一個推薦值。當你發(fā)現(xiàn)，采用這個推薦值，打印過程總出現(xiàn)絲條移動，而噴頭高度又合適時，你就需要減低這個推薦值了。至于其他的速度，軟件內(nèi)部會有一個算法來根據(jù)這個速度來生成。當然，你覺得其他速度也需要修改時，請一定要在軟件中修改。 材料進給速度會根據(jù)前文所述噴頭在一邊噴材料一邊移動的速度有關聯(lián)。噴頭移動得越快，這個進給速度也快。所以反過來，噴材料的進給速度也會影響噴頭的運動速度。這兩個速度是耦合的。 每一層的高度，這是一個至關重要的參數(shù)。它必須盡可能的與現(xiàn)實相吻合。一般它略小于噴頭口的直徑。而且，這個參數(shù)還可以做多樣化設定。你可以設定成第一層和其他層的高度不一樣。（還是那個理由，第一層很特殊，它直接鋪在工作平臺上，容易出問題，而其他層是鋪在材料本身上） 材料的填充百分比指的是填充實心物體時，材料所占體積的百分比。在我們打印一個實心體積比較大的物體時。比如你想打印一個100x100x100mm的立方體。如果全部是實心的話，會非常的浪費材料。 通常我們沒有必要讓它成為實心。我們可以通過一個算法，用一種類似與蜂窩的結構來填充實心部分。這就是3D打印機節(jié)省材料的一個關鍵。這個參數(shù)就可以設置在算法生成時，采用節(jié)省多少體積的結構。這里我們需要注意，省材料的同時也會導致材料的強度下降。所以，在強度要求較高的場合，請不要過于節(jié)省材料。 邊界層數(shù)這個參數(shù)是緊隨填充百分比這個參數(shù)而定義的。在給實心物體生成填充結構時，我們可以設置包圍這些填充結構的層數(shù)。就像是蜂窩的外殼一樣。設置外殼的層數(shù)越多，打印出來的部件強度就越高。所以你可以選擇增加這個參數(shù)來提高零件的強度當然你還可以配置更多的參數(shù)，來控制3D打印機G代碼生成方式。你甚至可以在生成G代碼后，加入自己特定G代碼。比如在打印后保留加熱板的溫度，以便于接下來繼續(xù)工作，等等。 按照以上的內(nèi)容，操作打印機，有時候往往還會發(fā)生很多意想不到的問題。比如說，工作表面平面度不好。比如說工作表面即使溫度高到極限了，打印機依然有卷邊現(xiàn)象。又比如說即使電機電流調(diào)到很合適了，在打印工作剛剛開始的時候還會出現(xiàn)噴出來的細絲粘上噴嘴的現(xiàn)象。為了進一步解決這些問題，工程師們還為我們提供了軟件解決方案。 2、軟件補償性能方案 在工作表面先鋪一層材料網(wǎng)格是一個非常優(yōu)秀的解決方案。這可以很好的解決平面度不好的問題。軟件才用這個方案后，更具背打印的物體在工作面上的接觸面生成一個紗窗似的地面。在打印真實的物之前，先鋪一層這樣的“紗窗”。這樣，真正打印的底面就會放在這樣一層材料上，而不是直接接觸工作表面了。在打印完成后，再用刀子或者其他工具把這一層“紗窗”刮掉就可以了。當然，這也是這個方案的弱點，手動刮，通常會刮不干凈。最后結果是一層粗糙的底面。 在硬件操作方案中，我們說過，為了解決卷邊現(xiàn)象，有三種方案。這里將提到的就是第三種軟件解決方案。材料鋪在底面的邊緣不是容易卷起來嗎？好，讓你卷。把底面的邊緣給它擴大。就