跟我学做一台corexy桌面3D打印机_林巧 

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本帖最后由 加多宝 于 2018-6-19 14:52 编辑

跟我学做一台桌面3D打印机

林巧
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题图
选用2020国标铝型材和一些薄铝板,再利用一些手头常见的工具,比如手电钻、锉刀、各种钻头、小台钳、铁皮剪刀等,打造一台属于自己的3D打印机是不是很有趣呢?现在DIY一台桌面3D打印机费用并不高,而且原料采购也很便捷,如果你愿意,一起来享受DIY的乐趣吧。
我所制作的3D打印机外形如题图所示,这种结构的3D打印机优点是除了螺丝头外基本没有外露出框架的东西。这样便于储藏,不用时放到尺寸适合的收纳箱中就可以了,甚至还可以在机壳外面贴上铝塑板之类的形成一个密闭的机器。
本机采用Corexy结构,X、Y轴的电机全部在机架上,并使用远端挤出机构,以减轻运动部分的重量。该机的外观尺寸为宽350mm×长370mm×高460mm,最大打印尺寸为200 mm×200 mm×260mm。打印耗材为PLA塑料或者ABS塑料。

   当然,如果你不会使用软件画三维立体图,那么这个打印机的用途就很小,只能上网下载那些别人共享的作品来打印。如果你会自己画图则可以打印你所需要的大部分工件。将软件画的三维图存为.STL格式即可供打印机打印,实践证明,从零开始学三维画图软件SolidWorks 是很容易入门的。

材料准备
3D打印机控制板套件,如图1所示。
Arduino Mega2560 主控板:这是3D打印机的大脑,负责控制整个打印机来完成特定的动作,如打印特定的文件等;
RAMPS1.4:这是主控板的拓展板,它是为了更好地与其他硬件进行连接和控制的,起到过渡桥梁的作用;
A4988步进电机驱动板:用来连接步进电机的,从而实现主控板对步进电机的控制,实现X、Y、Z及挤出机的动作;
2004LCD:脱机打印时操作按钮可以在屏幕上显示各种菜单选项,可以根据需要进行各种打印操作,这样的优点是长时间打印不会因电脑故障而造成打印失败。这部分带有SD卡插座,在电脑上进行切片后的数据就存在SD卡中,打印机读取切片数据进行打印。主控板买回来时是空的无法正常运行,必须下载固件根据自己机器的构造设置好后写入主控板才能运行打印工作。我使用马林Marlin固件。
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图1 3D打印机控制板套件

步进电机:X、Y、Z轴,还有挤出机构各需要一个规格为42mm×42mm的步进电机(见图2),共需要4个。此处,还是建议买新的,因为二手货质量无法保证。
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图2 步进电机
电源::我选用12V/30A的开关电源(见图3),机器工作时耗电在60W以内,再加上热床,12V/30A也有足够的余量。file:///C:/Users/twj/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image008.jpg
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图3 开关电源

铝型材:我选用了2020国标铝型材(见图4),用来直角连接两个铝型材的角件,购买的也是2020规格的,铝型材的横截面尺寸就像它的型号所显示的,是20mm×20mm的。
读者也可根据所需打印工件大小,改变整机大小,只需在购买铝型材长度时做一下改变即可。
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图4 2020国标铝型材

光轴:如图5所示,X、Y轴使用直径8mm的光轴,Z轴使用直径10mm的光轴,滑块用配套直径加长型的即可。Z轴使用直径8mm的不锈钢丝杆配一个黄铜螺母就很好用了,因为在打印时,Z轴上的托板总是向下移动的,所以不考虑回差问题。file:///C:/Users/twj/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image012.jpg
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图5 光轴和滑块

打印头:打印头(见图6)可以自己买组件,这样省得自己去组装。选购打印头时要选择配有加热棒和热敏电阻的。热床也要配有热敏电阻。
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图6 打印头
齿形同步皮带:如图7所示,齿形同步皮带用6mm宽的,Z轴使用160(或140)长度的闭环同步带,皮带型号不同,要配用相对应型号的同步轮。同步轮的内径要和同步电机配套。
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图7 齿形同步皮带
滑轮:由于买不到光滑轮,所以我只能买更贵的同步轮(见图8)来使用,同步轮中心孔是8mm的,安装时使用两个外径8mm、内径4mm的滚珠轴承(型号为MR84ZZ L)和一段铜管夹在同步轮中间,并用M4螺丝来固定在角铝横梁上。
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图8 同步轮
聚四氟乙烯管:如图9所示,这是用于远程送料,从挤出机把耗材丝料导入打印头加热挤出的,选购半透明的外径4mm,内径2mm的四氟管即可,一台机子用量不超过1m。
快速接头:如图9所示,这个组件用来连接挤出机和打印头之间的四氟管。建议购买打印头时顺便就购买配套的快速接头。
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图9四氟管和快速接头
热床:热床能够使打印件更好地固定在托盘上。从原理上讲打印PLA塑料可以不用热床,你可以考虑以后还有可能打印ABS等材料,那样热床作用就大了。即使是打印PLA塑料,在托盘上涂胶时加热一点也容易使胶更快成半干状态使工件不容易在打印过程脱落。
托盘:我用240mm×240mm×3mm的铝合金板作为托盘,这样会比玻璃板更加安全。
角铝:机架上的后上横梁使用50mm×50mm×3mm的角铝,前上横梁使用40mm×40mm×4mm(3)的角铝。
Z轴托架:用30mm×30mm×3mm的角铝,去两段长265mm的和一段200mm的。

铝片:买一些宽58mm、厚2mm的铝片,用来制作固定滑块的架子。再购买一些宽40mm、厚2.5mm的铝片,长240mm和160mm的各购买两段,其中160mm可多一段用来制作接头。

螺丝:制作这台3D打印机,我选用了不锈钢杯头内六角螺丝,这种螺丝强度高,只是成本也比较高。2020铝型材用角件连接时要用M4的四方螺母和螺丝。需要注意的是,不锈钢螺丝没有磁性,因此安装时会比较麻烦。

其他:限位开关需要3个,用于X、Y、Z归零定位,4cm 12V风扇需要一个,用于冷却打印头、散热管,除此之外,还需要一个5cm涡旋风扇,用于快速冷却打印件。


组件制作安装
机架:用2020角件把2020铝型材装配成框子,铝型材槽里面垫四方螺母,用M4×10的螺丝把角件拧紧。

组装后横梁:后横梁用50mm×50 mm×3 mm(4)的角铝制作,里面刚好可以装42步进电机,5050角铝上需要安装3个步进电机、两个直径10mm的卧式光轴座,以及一个固定Z轴的8mm带座轴承。确定这些零件在角铝上的位置,然后做标记并钻孔,光轴座钻孔时,要和底部的20mm×20mm角铝重叠固定钻孔,以保持孔位位置相同。
角铝上面还要安装4个惰轮,其位置也要安排妥当。可以先留着位置,等装到框架上时再定位。原则上要使皮带之间该平行的要距离相等。
组装打印头滑块组件:如图10所示,剪一段58mm宽的铝板,折一个直角,两个直线轴承就固定在上面,折边上端固定4个M4螺丝,用来固定皮带头。铝片上预装两个M4沉头螺丝用来固定打印头和4cm的冷却风扇。打印头也是用2mm铝片剪成条折弯后夹住,之后垫一片橡胶,就不会滑动了。打印头下面的加热块里有加热棒和热敏电阻,由控制板保持加热块的设置温度使塑料丝在这里正常融化挤出。风扇的作用是保持散热块里面的塑料丝不会融化膨胀从而造成堵塞。
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图10 组装打印头滑块组件
组装X、Y轴组件:X轴滑块是和打印头组合在一起的,而Y轴滑块,也是用58mm宽的铝片折弯,再把直线轴承固定在一面,另一面固定两个8mm卧式光轴座,如图11所示。Y轴光轴也是用卧式光轴座固定在前后立柱上的。
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图11组装X、Y轴组件
调整:框架组装好后把Y轴光轴座固定上去,高度尽量准确不要拧太紧,打印头部分和X光轴一起固定到Y滑块上,前后左右推拉打印头,并逐步拧紧光轴座。保证X、Y光轴平行,使全程推拉不会有阻力变化的感觉。

组装Z轴组件:丝杠上端用直径8mm的卧式带座轴承来固定,伸出上横梁的部分套上同步轮。因为丝杆实际直径不到8mm,建议丝杆上套一圈0.1mm厚的铜箔或铝箔,轴承和同步轮都要垫到,从而保证同步轮不偏心。丝杆的下端就悬空着不要加轴承。
Z轴同步电机需要在角铝上对角开两个长孔,以便调节和丝杆的距离(见图12)。
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图12组装Z轴组件
组装丝杆螺母:为便于调节和丝杆的距离,可以把螺母夹在角铝做成的夹板里(见图13),要注意螺母不要倾斜而产生阻力。
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图13组装丝杆螺母
组装托盘:如图14所示,随着打印高度增加,需要Z轴旋转托盘下降,但又不能晃动,所以,托盘部分在手动旋转Z轴丝杆时不应该有任何不正常的阻力,转一圈中的阻力都相等,不能一圈有卡一下的感觉。如果安装不好,转动时的阻力会使托盘生成微量晃动从而影响打印效果。托盘部分由下面的托架和中间的调节架、以及调节架上的热床和最上面的托盘组成。托盘、热床和调节架是靠夹子夹住,这样托盘和热床紧贴也能保证平面不会变化。
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图14 组装托盘
托架和调节架之间需要安装3个弹簧,如图15所示,组装时要调节底下的螺母使托盘水平并保持和喷嘴的距离处处相等。
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图15 托架和调节架之间连接

组装挤出机构:如图16所示,挤出机的作用是把打印耗材按需要挤入四氟管,之后进入到打印头并加热融化后喷出。这个结构很简单,我用铝片裁剪弯折钻孔后制作完成,非常好用。步进电机轴上套的是挤出轮,对压的是滚珠轴承(624ZZ),弹簧用来调节对耗材丝料的压力。注意,下图可以看见挤出轮上边就有导引管,这个作用是当挤出压力很大时不会把耗材挤弯曲。挤出机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简单的方法,网上可以找到很多。
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图16组装挤出机构
组装驱动皮带:驱动的皮带虽然有交叉,但安排好也不会发生刮擦,把惰轮上下不同安装即可使交叉处不会刮擦。此机的两个电机同方向等速转动时打印头左右移动,两个电机反方向等速转动时打印头前后移动,一个电机转动时打印头45°移动。实际使用中,不管是画图还是用软件控制打印,我们只管按照X、Y方向来设置而不管它是怎么运转的。
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图17组装驱动皮带
安装电路部分:此机的开关电源用活页固定在右边的铝型材上,虽然会影响托盘下降,但由于经常打印的都不是很高大的工件,上面的升降空间都够用。如果要打印更高的工件,那就把电源往外翻倒,就可以利用所有的Z轴高度,开关和插座用铝板固定在铝型材上,不用时可以拔下电源线。如图18所示,
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主控板用铝板做个盒子装起来,之后也和电源一样进行固定。file:///C:/Users/twj/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image048.jpg
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图19 电路部分的安装
此时,安装基本就完成了,剩下的工作就是把各个步进电机的电源线接到驱动板上。3个限位开关是不可少的,用铝板做个架子固定在铝型材上,Y轴的限位开关在左前方,X轴限位开关在左边,因为开始打印时的托盘位置在最上方,所以Z轴的零点在最上方。
注意事项
热床的电源线要用比较粗的,而且注意接头不要和金属架子接触。开始打印时加热托盘,这样第一层塑料和托盘结合比较好,打印比较大的工件时不容易翘边。


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