跟我學做一臺桌面3D打印機
林巧
選用2020國標鋁型材和一些薄鋁板,再利用一些手頭常見的工具,比如手電鉆、銼刀、各種鉆頭、小臺鉗、鐵皮剪刀等,打造一臺屬于自己的3D打印機是不是很有趣呢?現(xiàn)在DIY一臺桌面3D打印機費用并不高,而且原料采購也很便捷,如果你愿意,一起來享受DIY的樂趣吧。
我所制作的3D打印機外形如題圖所示,這種結(jié)構(gòu)的3D打印機優(yōu)點是除了螺絲頭外基本沒有外露出框架的東西。這樣便于儲藏,不用時放到尺寸適合的收納箱中就可以了,甚至還可以在機殼外面貼上鋁塑板之類的形成一個密閉的機器。
本機采用Corexy結(jié)構(gòu),X、Y軸的電機全部在機架上,并使用遠端擠出機構(gòu),以減輕運動部分的重量。該機的外觀尺寸為寬350mm×長370mm×高460mm,最大打印尺寸為200 mm×200 mm×260mm。打印耗材為PLA塑料或者ABS塑料。
當然,如果你不會使用軟件畫三維立體圖,那么這個打印機的用途就很小,只能上網(wǎng)下載那些別人共享的作品來打印。如果你會自己畫圖則可以打印你所需要的大部分工件。將軟件畫的三維圖存為.STL格式即可供打印機打印,實踐證明,從零開始學三維畫圖軟件SolidWorks 是很容易入門的。
材料準備
3D打印機控制板套件,如圖1所示。
Arduino Mega2560 主控板:這是3D打印機的大腦,負責控制整個打印機來完成特定的動作,如打印特定的文件等;
RAMPS1.4:這是主控板的拓展板,它是為了更好地與其他硬件進行連接和控制的,起到過渡橋梁的作用;
A4988步進電機驅(qū)動板:用來連接步進電機的,從而實現(xiàn)主控板對步進電機的控制,實現(xiàn)X、Y、Z及擠出機的動作;
2004LCD:脫機打印時操作按鈕可以在屏幕上顯示各種菜單選項,可以根據(jù)需要進行各種打印操作,這樣的優(yōu)點是長時間打印不會因電腦故障而造成打印失敗。這部分帶有SD卡插座,在電腦上進行切片后的數(shù)據(jù)就存在SD卡中,打印機讀取切片數(shù)據(jù)進行打印。主控板買回來時是空的無法正常運行,必須下載固件根據(jù)自己機器的構(gòu)造設置好后寫入主控板才能運行打印工作。我使用馬林Marlin固件。
圖1 3D打印機控制板套件
步進電機:X、Y、Z軸,還有擠出機構(gòu)各需要一個規(guī)格為42mm×42mm的步進電機(見圖2),共需要4個。此處,還是建議買新的,因為二手貨質(zhì)量無法保證。
圖2 步進電機 電源::我選用12V/30A的開關電源(見圖3),機器工作時耗電在60W以內(nèi),再加上熱床,12V/30A也有足夠的余量。
圖3 開關電源
鋁型材:我選用了2020國標鋁型材(見圖4),用來直角連接兩個鋁型材的角件,購買的也是2020規(guī)格的,鋁型材的橫截面尺寸就像它的型號所顯示的,是20mm×20mm的。
讀者也可根據(jù)所需打印工件大小,改變整機大小,只需在購買鋁型材長度時做一下改變即可。
圖4 2020國標鋁型材
光軸:如圖5所示,X、Y軸使用直徑8mm的光軸,Z軸使用直徑10mm的光軸,滑塊用配套直徑加長型的即可。Z軸使用直徑8mm的不銹鋼絲桿配一個黃銅螺母就很好用了,因為在打印時,Z軸上的托板總是向下移動的,所以不考慮回差問題。
圖5 光軸和滑塊
打印頭:打印頭(見圖6)可以自己買組件,這樣省得自己去組裝。選購打印頭時要選擇配有加熱棒和熱敏電阻的。熱床也要配有熱敏電阻。
圖6 打印頭 齒形同步皮帶:如圖7所示,齒形同步皮帶用6mm寬的,Z軸使用160(或140)長度的閉環(huán)同步帶,皮帶型號不同,要配用相對應型號的同步輪。同步輪的內(nèi)徑要和同步電機配套。
圖7 齒形同步皮帶 滑輪:由于買不到光滑輪,所以我只能買更貴的同步輪(見圖8)來使用,同步輪中心孔是8mm的,安裝時使用兩個外徑8mm、內(nèi)徑4mm的滾珠軸承(型號為MR84ZZ L)和一段銅管夾在同步輪中間,并用M4螺絲來固定在角鋁橫梁上。
圖8 同步輪
聚四氟乙烯管:如圖9所示,這是用于遠程送料,從擠出機把耗材絲料導入打印頭加熱擠出的,選購半透明的外徑4mm,內(nèi)徑2mm的四氟管即可,一臺機子用量不超過1m。
快速接頭:如圖9所示,這個組件用來連接擠出機和打印頭之間的四氟管。建議購買打印頭時順便就購買配套的快速接頭。
圖9四氟管和快速接頭
熱床:熱床能夠使打印件更好地固定在托盤上。從原理上講打印PLA塑料可以不用熱床,你可以考慮以后還有可能打印ABS等材料,那樣熱床作用就大了。即使是打印PLA塑料,在托盤上涂膠時加熱一點也容易使膠更快成半干狀態(tài)使工件不容易在打印過程脫落。
托盤:我用240mm×240mm×3mm的鋁合金板作為托盤,這樣會比玻璃板更加安全。
角鋁:機架上的后上橫梁使用50mm×50mm×3mm的角鋁,前上橫梁使用40mm×40mm×4mm(3)的角鋁。
Z軸托架:用30mm×30mm×3mm的角鋁,去兩段長265mm的和一段200mm的。
鋁片:買一些寬58mm、厚2mm的鋁片,用來制作固定滑塊的架子。再購買一些寬40mm、厚2.5mm的鋁片,長240mm和160mm的各購買兩段,其中160mm可多一段用來制作接頭。
螺絲:制作這臺3D打印機,我選用了不銹鋼杯頭內(nèi)六角螺絲,這種螺絲強度高,只是成本也比較高。2020鋁型材用角件連接時要用M4的四方螺母和螺絲。需要注意的是,不銹鋼螺絲沒有磁性,因此安裝時會比較麻煩。
其他:限位開關需要3個,用于X、Y、Z歸零定位,4cm 12V風扇需要一個,用于冷卻打印頭、散熱管,除此之外,還需要一個5cm渦旋風扇,用于快速冷卻打印件。
組件制作安裝
機架:用2020角件把2020鋁型材裝配成框子,鋁型材槽里面墊四方螺母,用M4×10的螺絲把角件擰緊。
組裝后橫梁:后橫梁用50mm×50 mm×3 mm(4)的角鋁制作,里面剛好可以裝42步進電機,5050角鋁上需要安裝3個步進電機、兩個直徑10mm的臥式光軸座,以及一個固定Z軸的8mm帶座軸承。確定這些零件在角鋁上的位置,然后做標記并鉆孔,光軸座鉆孔時,要和底部的20mm×20mm角鋁重疊固定鉆孔,以保持孔位位置相同。
角鋁上面還要安裝4個惰輪,其位置也要安排妥當??梢韵攘糁恢茫妊b到框架上時再定位。原則上要使皮帶之間該平行的要距離相等。
組裝打印頭滑塊組件:如圖10所示,剪一段58mm寬的鋁板,折一個直角,兩個直線軸承就固定在上面,折邊上端固定4個M4螺絲,用來固定皮帶頭。鋁片上預裝兩個M4沉頭螺絲用來固定打印頭和4cm的冷卻風扇。打印頭也是用2mm鋁片剪成條折彎后夾住,之后墊一片橡膠,就不會滑動了。打印頭下面的加熱塊里有加熱棒和熱敏電阻,由控制板保持加熱塊的設置溫度使塑料絲在這里正常融化擠出。風扇的作用是保持散熱塊里面的塑料絲不會融化膨脹從而造成堵塞。
圖10 組裝打印頭滑塊組件
組裝X、Y軸組件:X軸滑塊是和打印頭組合在一起的,而Y軸滑塊,也是用58mm寬的鋁片折彎,再把直線軸承固定在一面,另一面固定兩個8mm臥式光軸座,如圖11所示。Y軸光軸也是用臥式光軸座固定在前后立柱上的。
圖11組裝X、Y軸組件
調(diào)整:框架組裝好后把Y軸光軸座固定上去,高度盡量準確不要擰太緊,打印頭部分和X光軸一起固定到Y(jié)滑塊上,前后左右推拉打印頭,并逐步擰緊光軸座。保證X、Y光軸平行,使全程推拉不會有阻力變化的感覺。
組裝Z軸組件:絲杠上端用直徑8mm的臥式帶座軸承來固定,伸出上橫梁的部分套上同步輪。因為絲桿實際直徑不到8mm,建議絲桿上套一圈0.1mm厚的銅箔或鋁箔,軸承和同步輪都要墊到,從而保證同步輪不偏心。絲桿的下端就懸空著不要加軸承。
Z軸同步電機需要在角鋁上對角開兩個長孔,以便調(diào)節(jié)和絲桿的距離(見圖12)。
圖12組裝Z軸組件
組裝絲桿螺母:為便于調(diào)節(jié)和絲桿的距離,可以把螺母夾在角鋁做成的夾板里(見圖13),要注意螺母不要傾斜而產(chǎn)生阻力。
圖13組裝絲桿螺母
組裝托盤:如圖14所示,隨著打印高度增加,需要Z軸旋轉(zhuǎn)托盤下降,但又不能晃動,所以,托盤部分在手動旋轉(zhuǎn)Z軸絲桿時不應該有任何不正常的阻力,轉(zhuǎn)一圈中的阻力都相等,不能一圈有卡一下的感覺。如果安裝不好,轉(zhuǎn)動時的阻力會使托盤生成微量晃動從而影響打印效果。托盤部分由下面的托架和中間的調(diào)節(jié)架、以及調(diào)節(jié)架上的熱床和最上面的托盤組成。托盤、熱床和調(diào)節(jié)架是靠夾子夾住,這樣托盤和熱床緊貼也能保證平面不會變化。
圖14 組裝托盤
托架和調(diào)節(jié)架之間需要安裝3個彈簧,如圖15所示,組裝時要調(diào)節(jié)底下的螺母使托盤水平并保持和噴嘴的距離處處相等。
圖15 托架和調(diào)節(jié)架之間連接
組裝擠出機構(gòu):如圖16所示,擠出機的作用是把打印耗材按需要擠入四氟管,之后進入到打印頭并加熱融化后噴出。這個結(jié)構(gòu)很簡單,我用鋁片裁剪彎折鉆孔后制作完成,非常好用。步進電機軸上套的是擠出輪,對壓的是滾珠軸承(624ZZ),彈簧用來調(diào)節(jié)對耗材絲料的壓力。注意,下圖可以看見擠出輪上邊就有導引管,這個作用是當擠出壓力很大時不會把耗材擠彎曲。擠出機用其它方法也可以制作,比如用厚的聚氯乙烯板切割制作也是很簡單的方法,網(wǎng)上可以找到很多。
圖16組裝擠出機構(gòu)
組裝驅(qū)動皮帶:驅(qū)動的皮帶雖然有交叉,但安排好也不會發(fā)生刮擦,把惰輪上下不同安裝即可使交叉處不會刮擦。此機的兩個電機同方向等速轉(zhuǎn)動時打印頭左右移動,兩個電機反方向等速轉(zhuǎn)動時打印頭前后移動,一個電機轉(zhuǎn)動時打印頭45°移動。實際使用中,不管是畫圖還是用軟件控制打印,我們只管按照X、Y方向來設置而不管它是怎么運轉(zhuǎn)的。
圖17組裝驅(qū)動皮帶
安裝電路部分:此機的開關電源用活頁固定在右邊的鋁型材上,雖然會影響托盤下降,但由于經(jīng)常打印的都不是很高大的工件,上面的升降空間都夠用。如果要打印更高的工件,那就把電源往外翻倒,就可以利用所有的Z軸高度,開關和插座用鋁板固定在鋁型材上,不用時可以拔下電源線。如圖18所示,
主控板用鋁板做個盒子裝起來,之后也和電源一樣進行固定。
圖19 電路部分的安裝
此時,安裝基本就完成了,剩下的工作就是把各個步進電機的電源線接到驅(qū)動板上。3個限位開關是不可少的,用鋁板做個架子固定在鋁型材上,Y軸的限位開關在左前方,X軸限位開關在左邊,因為開始打印時的托盤位置在最上方,所以Z軸的零點在最上方。
注意事項
熱床的電源線要用比較粗的,而且注意接頭不要和金屬架子接觸。開始打印時加熱托盤,這樣第一層塑料和托盤結(jié)合比較好,打印比較大的工件時不容易翹邊。
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