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跟我學(xué)做一臺桌面3D打印機(jī)
林巧
選用2020國標(biāo)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(jī)是不是很有趣呢？現(xiàn)在DIY一臺桌面3D打印機(jī)費(fèi)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(jī)外形如題圖所示，這種結(jié)構(gòu)的3D打印機(jī)優(yōu)點(diǎn)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(shí)放到尺寸適合的收納箱中就可以了，甚至還可以在機(jī)殼外面貼上鋁塑板之類的形成一個(gè)密閉的機(jī)器。
本機(jī)采用Corexy結(jié)構(gòu)，X、Y軸的電機(jī)全部在機(jī)架上，并使用遠(yuǎn)端擠出機(jī)構(gòu)，以減輕運(yùn)動部分的重量。該機(jī)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(dāng)然，如果你不會使用軟件畫三維立體圖，那么這個(gè)打印機(jī)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(jī)打印，實(shí)踐證明，從零開始學(xué)三維畫圖軟件SolidWorks 是很容易入門的。
材料準(zhǔn)備
3D打印機(jī)控制板套件，如圖1所示。
Arduino Mega2560 主控板：這是3D打印機(jī)的大腦，負(fù)責(zé)控制整個(gè)打印機(jī)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(jìn)行連接和控制的，起到過渡橋梁的作用；
A4988步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動板：用來連接步進(jìn)電機(jī)的，從而實(shí)現(xiàn)主控板對步進(jìn)電機(jī)的控制，實(shí)現(xiàn)X、Y、Z及擠出機(jī)的動作；
2004LCD：脫機(jī)打印時(shí)操作按鈕可以在屏幕上顯示各種菜單選項(xiàng)，可以根據(jù)需要進(jìn)行各種打印操作，這樣的優(yōu)點(diǎn)是長時(shí)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(jìn)行切片后的數(shù)據(jù)就存在SD卡中，打印機(jī)讀取切片數(shù)據(jù)進(jìn)行打印。主控板買回來時(shí)是空的無法正常運(yùn)行，必須下載固件根據(jù)自己機(jī)器的構(gòu)造設(shè)置好后寫入主控板才能運(yùn)行打印工作。我使用馬林Marlin固件。
圖1 3D打印機(jī)控制板套件
步進(jìn)電機(jī)：X、Y、Z軸，還有擠出機(jī)構(gòu)各需要一個(gè)規(guī)格為42mm×42mm的步進(jìn)電機(jī)（見圖2），共需要4個(gè)。此處，還是建議買新的，因?yàn)槎重涃|(zhì)量無法保證。
圖2 步進(jìn)電機(jī) 電源：:我選用12V/30A的開關(guān)電源（見圖3），機(jī)器工作時(shí)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(guān)電源
鋁型材：我選用了2020國標(biāo)鋁型材（見圖4），用來直角連接兩個(gè)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(jī)大小，只需在購買鋁型材長度時(shí)做一下改變即可。
圖4 2020國標(biāo)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(gè)黃銅螺母就很好用了，因?yàn)樵诖蛴r(shí)，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(shí)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(yīng)型號的同步輪。同步輪的內(nèi)徑要和同步電機(jī)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(shí)使用兩個(gè)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(yuǎn)程送料，從擠出機(jī)把耗材絲料導(dǎo)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(jī)子用量不超過1m。
快速接頭：如圖9所示，這個(gè)組件用來連接擠出機(jī)和打印頭之間的四氟管。建議購買打印頭時(shí)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(shí)加熱一點(diǎn)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(jī)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(jī)，我選用了不銹鋼杯頭內(nèi)六角螺絲，這種螺絲強(qiáng)度高，只是成本也比較高。2020鋁型材用角件連接時(shí)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(shí)會比較麻煩。
其他：限位開關(guān)需要3個(gè)，用于X、Y、Z歸零定位，4cm 12V風(fēng)扇需要一個(gè)，用于冷卻打印頭、散熱管，除此之外，還需要一個(gè)5cm渦旋風(fēng)扇，用于快速冷卻打印件。
組件制作安裝
機(jī)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(jìn)電機(jī)，5050角鋁上需要安裝3個(gè)步進(jìn)電機(jī)、兩個(gè)直徑10mm的臥式光軸座，以及一個(gè)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(biāo)記并鉆孔，光軸座鉆孔時(shí)，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(gè)惰輪，其位置也要安排妥當(dāng)?？梢韵攘糁恢?，等裝到框架上時(shí)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(gè)直角，兩個(gè)直線軸承就固定在上面，折邊上端固定4個(gè)M4螺絲，用來固定皮帶頭。鋁片上預(yù)裝兩個(gè)M4沉頭螺絲用來固定打印頭和4cm的冷卻風(fēng)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(shè)置溫度使塑料絲在這里正常融化擠出。風(fēng)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(gè)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(zhǔn)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?yàn)榻z桿實(shí)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(jī)需要在角鋁上對角開兩個(gè)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(shí)不應(yīng)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(shí)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(gè)彈簧，如圖15所示，組裝時(shí)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(jī)構(gòu)：如圖16所示，擠出機(jī)的作用是把打印耗材按需要擠入四氟管，之后進(jìn)入到打印頭并加熱融化后噴出。這個(gè)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(jìn)電機(jī)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(dǎo)引管，這個(gè)作用是當(dāng)擠出壓力很大時(shí)不會把耗材擠彎曲。擠出機(jī)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(jī)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(jī)的兩個(gè)電機(jī)同方向等速轉(zhuǎn)動時(shí)打印頭左右移動，兩個(gè)電機(jī)反方向等速轉(zhuǎn)動時(shí)打印頭前后移動，一個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)動時(shí)打印頭45°移動。實(shí)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(shè)置而不管它是怎么運(yùn)轉(zhuǎn)的。
圖17組裝驅(qū)動皮帶
安裝電路部分：此機(jī)的開關(guān)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(guān)和插座用鋁板固定在鋁型材上，不用時(shí)可以拔下電源線。如圖18所示，
主控板用鋁板做個(gè)盒子裝起來，之后也和電源一樣進(jìn)行固定。
圖19 電路部分的安裝
此時(shí)，安裝基本就完成了，剩下的工作就是把各個(gè)步進(jìn)電機(jī)的電源線接到驅(qū)動板上。3個(gè)限位開關(guān)是不可少的，用鋁板做個(gè)架子固定在鋁型材上，Y軸的限位開關(guān)在左前方，X軸限位開關(guān)在左邊，因?yàn)殚_始打印時(shí)的托盤位置在最上方，所以Z軸的零點(diǎn)在最上方。
注意事項(xiàng)
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(shí)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(shí)不容易翹邊。
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