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(jī)正如其名，是一種能夠打印出3D實(shí)體的機(jī)器。如我們普通的打印機(jī)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(jī)能夠在3維空間中打印出任意形狀的實(shí)體模型，能夠不受結(jié)構(gòu)工藝限制，直接將零件的3維數(shù)據(jù)資料打印成實(shí)體零件在傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)程序上，一個(gè)零件需要由設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)完成，并繪制好2維圖紙（通常是3視圖的形式，并且有些細(xì)節(jié)部位還需要追加詳細(xì)圖）。然后把這個(gè)零件的圖紙交給機(jī)械工藝師，機(jī)械工藝師會(huì)根據(jù)你的零件圖紙排列加工制造工序，再然后工人會(huì)按照機(jī)械工藝師設(shè)計(jì)安排的工序來制造零件。通常這個(gè)流程還不能一次性完成。機(jī)械設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)的零件可能會(huì)有部分結(jié)構(gòu)不容易加工制造，機(jī)械工藝師會(huì)將信息反饋給機(jī)械設(shè)計(jì)師，機(jī)械設(shè)計(jì)師再修改圖紙。而一旦有了3D打印機(jī)，整個(gè)流程就簡(jiǎn)化了。設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)完成零件后，就可以直接制造。不需要繪制3視圖，不需要細(xì)節(jié)描述的詳細(xì)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(jié)構(gòu)工藝限制，只需要3維數(shù)據(jù)本文分為兩個(gè)部分，第一部分將為簡(jiǎn)要介紹FDM式3D打印機(jī)的工作原理，第二部分介紹打印機(jī)的硬件和軟件操作。 第一部分：FDM式3D打印機(jī)原理簡(jiǎn)介 任何3維物體都可以看成是由一個(gè)個(gè)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(gè)球形物體，就可以看成是由一個(gè)個(gè)厚度很小直徑不同的圓柱堆在一起形成的。對(duì)于任何一個(gè)物體，都可以看成是由一個(gè)個(gè)厚度很小的菱形物體堆起來的。如果引用數(shù)學(xué)中的概念，那么就是，當(dāng)這些菱形的厚度趨近于無窮小的時(shí)候，這個(gè)堆砌起來的實(shí)體與目標(biāo)實(shí)體就是完全一致的。遺憾的是，現(xiàn)實(shí)中任何物體都是有厚度的?？墒俏覀兛梢园堰@個(gè)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(jī)就是利用這個(gè)原理，將任意一個(gè)三維數(shù)據(jù)實(shí)體，切割成一個(gè)個(gè)面來分析。那么理論上只要這臺(tái)打印機(jī)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(duì)結(jié)構(gòu)的限制因素）。 所以FDM式的3D打印機(jī)有一個(gè)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(gè)噴嘴一般由步進(jìn)電機(jī)來控制移動(dòng)。就像我們捏牙膏一樣，我們一邊用力捏牙膏，一邊移動(dòng)牙膏，就可以把牙膏在牙刷上涂一條直線出來。3D打印機(jī)的原理就和我們捏牙膏是一模一樣的，只是它的運(yùn)動(dòng)由3D實(shí)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(dòng)。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(gè)實(shí)體就定形了。 那么我們?cè)趺磸氖诸^一無所有，到打印出一個(gè)實(shí)體呢？世界上3d設(shè)計(jì)軟件千奇百怪，我們?cè)趺窗炎约涸O(shè)計(jì)的3維實(shí)體做成能夠被打印機(jī)應(yīng)用的數(shù)據(jù)呢？ 這里一定要感謝世界上的開源組織和標(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)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(jī)床運(yùn)動(dòng)的加工語言：G語言。 因?yàn)檫@些標(biāo)準(zhǔn)的存在，讓我們整個(gè)流程可以走得更順暢。從技術(shù)實(shí)現(xiàn)角度來看，要實(shí)現(xiàn)FDM式3D打印機(jī)，就只需要實(shí)現(xiàn)以下三個(gè)技術(shù)：1、 能夠?qū)?維數(shù)據(jù)格式（如：stl,x_t,step）解析成機(jī)械加工的G語言。正如前文所說，這一個(gè)步驟實(shí)質(zhì)上就是生成“捏牙膏的方法”。在這個(gè)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(jiǎn)介一下G代碼：G代碼是用來控制機(jī)械加工刀具（噴嘴）運(yùn)動(dòng)的代碼。2、 能夠解析G代碼的機(jī)器。通過第1個(gè)技術(shù)手段，我們有G代碼。接下來就需要一臺(tái)能夠“讀懂”G代碼的機(jī)器。要實(shí)現(xiàn)G代碼的機(jī)器，技術(shù)關(guān)鍵在插補(bǔ)算法。所謂的插補(bǔ)算法實(shí)際上就是讓刀具能夠精確的按照指令走。為了說明插補(bǔ)算法的功能，這里再介紹一條簡(jiǎn)單的G代碼：G90G01X10Y10Z10F100。這條代碼中，G90表示采用絕對(duì)坐標(biāo)格式，G01表示直線運(yùn)動(dòng)，X0Y0Z10表示目的坐標(biāo)為（10，10，10），F(xiàn)100表示移動(dòng)速度為100個(gè)單位每分鐘（單位可通過G20/G21指令來設(shè)置成毫米/英寸）。要控制刀具（噴嘴）走直線就和簡(jiǎn)單的控制刀具移動(dòng)到目的地不一樣的了。它不僅僅要控制結(jié)果，還要控制過程。它需要刀具（噴嘴）在三個(gè)坐標(biāo)軸上的速度的合速度能夠一直在指定的直線上。當(dāng)然更復(fù)雜一點(diǎn)的，還要求插補(bǔ)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(shí)針/順時(shí)針）圓。 簡(jiǎn)單的說，需要有臺(tái)機(jī)器，能夠嚴(yán)格的實(shí)現(xiàn)G代碼的指令。能夠讀了G代碼后，再控制電機(jī)（通常是步進(jìn)電機(jī)）來實(shí)現(xiàn)刀具（噴嘴）的運(yùn)動(dòng)。3、 能夠穩(wěn)定噴材料的噴嘴。事實(shí)上，這是從物理上實(shí)現(xiàn)3D打印的關(guān)鍵技術(shù)。市場(chǎng)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(gè)步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)用來提供材料的進(jìn)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(jī)的硬件和軟件操作 任何一臺(tái)機(jī)器都有它們自己的“脾氣”。對(duì)于3D打印機(jī)這樣追求精度至少應(yīng)該在零點(diǎn)幾毫米一下的機(jī)器而言，也需要操作它的人注意各種細(xì)節(jié)問題。下面先從3D打印機(jī)的硬件說起。1、 溫度控制 FDM式3D打印機(jī)使用的是熱融性材料。那么對(duì)于溫度的控制就有要求。一般，加工平臺(tái)和材料噴嘴這兩個(gè)地方都需要由加熱電阻和高度太高了會(huì)使材料無法正常的粘附在平臺(tái)表面。太低了，就會(huì)讓材料變形。一般3D打印機(jī)會(huì)有配有傳感器。通過傳感器來調(diào)整這個(gè)高度?？墒?，一臺(tái)機(jī)器在剛剛裝配的時(shí)候，這個(gè)傳感器的位置可能會(huì)發(fā)生偏移。為了糾正這個(gè)可能在裝配機(jī)器時(shí)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(jī)的Z軸偏移量。工作臺(tái)的平面度如果不好，就會(huì)出現(xiàn)打印工作時(shí)無法保證所有地方都有合適高度。通常的3D打印機(jī)會(huì)有四個(gè)調(diào)節(jié)螺絲來調(diào)節(jié)工作平臺(tái)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(tái)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(qiáng)求不來，工程師們也想出了應(yīng)對(duì)辦法。這個(gè)應(yīng)對(duì)辦法將在后面的軟件部分介紹。 工作平臺(tái)的表面材料也十分重要，工作平臺(tái)的表面與剛剛被噴出來的材料接觸。這就要求工作臺(tái)的表面至少能夠耐住材料溫度，同時(shí)它還能粘住材料（因?yàn)榇蛴C(jī)工作的時(shí)候被噴出來的成形的部分可能會(huì)因?yàn)閲娮旎蛘咂脚_(tái)的移動(dòng)而發(fā)生移動(dòng)從而導(dǎo)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(tái)還需要有一定的導(dǎo)熱性。2、 步進(jìn)電機(jī) 步進(jìn)電機(jī)是驅(qū)動(dòng)部件，一般打印機(jī)在出產(chǎn)的時(shí)候就會(huì)設(shè)定好它的脈沖寬度等等。這些參數(shù)基本上能夠保證電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的工作?？墒牵@里要著重提到的一點(diǎn)，3D打印機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性也有硬性要求。噴頭的運(yùn)動(dòng)，在很多情況下，需要快速響應(yīng)。這里簡(jiǎn)單提 一下動(dòng)態(tài)特性。我們從小到大接觸過很多物理運(yùn)動(dòng)問題。這里物理運(yùn)動(dòng)都十分的理想。要么就直接勻速運(yùn)動(dòng)，要么就直接加速運(yùn)動(dòng)。對(duì)于受力問題，給一個(gè)物體施加一個(gè)作用力，那么這個(gè)物體就立刻受到了力的作用。事實(shí)上，這些東西，在現(xiàn)實(shí)生活中都不存在。一個(gè)物體要有一個(gè)速度，它都需要有一個(gè)速度動(dòng)態(tài)變化的過程。一個(gè)物體要受到一個(gè)10牛頓的力，在你給與它10牛頓的力后，它也不會(huì)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(gè)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(huì)漸漸的越來越大，到后來還會(huì)發(fā)生振蕩。這也是個(gè)動(dòng)態(tài)的變化過程。那么再回到步進(jìn)電機(jī)的問題，在你給出步進(jìn)電機(jī)的脈沖頻率后，它不會(huì)立刻按照這個(gè)頻率來工作，它也會(huì)有一個(gè)動(dòng)態(tài)的變化過程。在控制學(xué)上，用調(diào)節(jié)時(shí)間，超調(diào)量，穩(wěn)態(tài)誤差，穩(wěn)定度這四個(gè)量來評(píng)價(jià)控制過程。針對(duì)的機(jī)器也略有不同，replicatorg可以用在很多種機(jī)器上面，功能非常強(qiáng)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(guān)于機(jī)器的參數(shù)。比如說，材料的直徑，材料需要的加熱溫度，進(jìn)給速度等等。1、 參數(shù)設(shè)置 你需要設(shè)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(tái)溫度，座標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)速度，材料進(jìn)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(shè)定方法。 材料原始直徑指的是材料在沒有加熱時(shí)，進(jìn)入加熱噴嘴之前的直徑。這個(gè)參數(shù)一定要盡可能設(shè)置得與實(shí)際數(shù)值吻合。因?yàn)樗鼘⒑土硗庖粋€(gè)參數(shù)，材料的噴出直接，共同決定材料進(jìn)給量的計(jì)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(jìn)去入口進(jìn)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(shí)的溫度。這個(gè)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(biāo)準(zhǔn)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(tái)的溫度是用來固定鋪在工作平臺(tái)上材料的。如果發(fā)生卷邊現(xiàn)象，可以嘗試增加這個(gè)參數(shù)，來提高溫度。 坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)速度實(shí)際上是個(gè)比較復(fù)雜的參數(shù)。噴頭的運(yùn)動(dòng)有好幾種運(yùn)動(dòng)方式。比如說，在一邊噴材料一邊移動(dòng)時(shí)的速度。不噴材料 僅僅是噴嘴移動(dòng)時(shí)的移動(dòng)運(yùn)動(dòng)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(gè)空心盒子時(shí)，打印其頂面。）時(shí)的運(yùn)動(dòng)速度。除此之外，你還可以設(shè)置成讓它在打印第一層的時(shí)候的速度和打印其他層時(shí)候的速度不同（打印第一層時(shí)太特殊，太關(guān)鍵，是成敗的關(guān)鍵）。速度設(shè)置得太高，可能會(huì)因?yàn)殡姍C(jī)的動(dòng)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(shè)置得太低，就會(huì)浪費(fèi)時(shí)間。一般情況下，3D打印機(jī)廠家會(huì)給出一邊噴材料和一邊移動(dòng)時(shí)速度的一個(gè)推薦值。當(dāng)你發(fā)現(xiàn)，采用這個(gè)推薦值，打印過程總出現(xiàn)絲條移動(dòng)，而噴頭高度又合適時(shí)，你就需要減低這個(gè)推薦值了。至于其他的速度，軟件內(nèi)部會(huì)有一個(gè)算法來根據(jù)這個(gè)速度來生成。當(dāng)然，你覺得其他速度也需要修改時(shí)，請(qǐng)一定要在軟件中修改。 材料進(jìn)給速度會(huì)根據(jù)前文所述噴頭在一邊噴材料一邊移動(dòng)的速度有關(guān)聯(lián)。噴頭移動(dòng)得越快，這個(gè)進(jìn)給速度也快。所以反過來，噴材料的進(jìn)給速度也會(huì)影響噴頭的運(yùn)動(dòng)速度。這兩個(gè)速度是耦合的。 每一層的高度，這是一個(gè)至關(guān)重要的參數(shù)。它必須盡可能的與現(xiàn)實(shí)相吻合。一般它略小于噴頭口的直徑。而且，這個(gè)參數(shù)還可以做多樣化設(shè)定。你可以設(shè)定成第一層和其他層的高度不一樣。（還是那個(gè)理由，第一層很特殊，它直接鋪在工作平臺(tái)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(shí)心物體時(shí)，材料所占體積的百分比。在我們打印一個(gè)實(shí)心體積比較大的物體時(shí)。比如你想打印一個(gè)100x100x100mm的立方體。如果全部是實(shí)心的話，會(huì)非常的浪費(fèi)材料。 通常我們沒有必要讓它成為實(shí)心。我們可以通過一個(gè)算法，用一種類似與蜂窩的結(jié)構(gòu)來填充實(shí)心部分。這就是3D打印機(jī)節(jié)省材料的一個(gè)關(guān)鍵。這個(gè)參數(shù)就可以設(shè)置在算法生成時(shí)，采用節(jié)省多少體積的結(jié)構(gòu)。這里我們需要注意，省材料的同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致材料的強(qiáng)度下降。所以，在強(qiáng)度要求較高的場(chǎng)合，請(qǐng)不要過于節(jié)省材料。 邊界層數(shù)這個(gè)參數(shù)是緊隨填充百分比這個(gè)參數(shù)而定義的。在給實(shí)心物體生成填充結(jié)構(gòu)時(shí)，我們可以設(shè)置包圍這些填充結(jié)構(gòu)的層數(shù)。就像是蜂窩的外殼一樣。設(shè)置外殼的層數(shù)越多，打印出來的部件強(qiáng)度就越高。所以你可以選擇增加這個(gè)參數(shù)來提高零件的強(qiáng)度當(dāng)然你還可以配置更多的參數(shù)，來控制3D打印機(jī)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(jī)，有時(shí)候往往還會(huì)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(jī)依然有卷邊現(xiàn)象。又比如說即使電機(jī)電流調(diào)到很合適了，在打印工作剛剛開始的時(shí)候還會(huì)出現(xiàn)噴出來的細(xì)絲粘上噴嘴的現(xiàn)象。為了進(jìn)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(bǔ)償性能方案 在工作表面先鋪一層材料網(wǎng)格是一個(gè)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(gè)方案后，更具背打印的物體在工作面上的接觸面生成一個(gè)紗窗似的地面。在打印真實(shí)的物之前，先鋪一層這樣的“紗窗”。這樣，真正打印的底面就會(huì)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(dāng)然，這也是這個(gè)方案的弱點(diǎn)，手動(dòng)刮，通常會(huì)刮不干凈。最后結(jié)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(kuò)大。就