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【万有青年养成计划】3D打印机DIY不完全指南

从萌生自制一台3D打印机的梦想开始到现在已经快一年了。申请万有青年养成计划,并有幸入选之后,我就打算为自己的制作过程写点什么。虽然机器离最终完成还有些bug要调试,但依靠在开源社区潜水得来的知识,结合实际写写制作一台3D打印机中的重要步骤相信还是很有意思的。即使是DIY的初学者,相信看着这份教程也能够很快上手。

如后文所见,只要充分发挥创造力DIY3D打印机的方法可以有千千万万,但最重要的一步是,下定决心开始动手。

Tip: 很显然,这篇文章里的粗浅内容只能算入门介绍。如果想知道更多的细节,可以点击参考链接获取进一步的知识和资源。

制作难度:★★★★★

GEEK指数:★★★★☆

当想要制作一台3D打印机的时候,首先要有它是什么的大致概念。如果身边的人有这么一台,那么你可以在主人允许的情况下好好调戏一下。如果没有,可以在视频网站上搜索,你会找到到很多3D打印机的工作视频;还可以阅读一些文章,了解3D打印机的原理。这里,我会以我们制作的“透镜”项目为例讲解。

桌面级3D打印机的工作原理,可以参考《那些关于3D打印,你不得不知道的事儿》

Step 1: 准备工作

如果你不太了解机械电子这方面的知识,最好能找到一些相关专业的朋友,特别是有工程经验的作为顾问,他们能够帮助你解决在原理和基础知识上的许多困惑。不过调试机器还是尽量亲手来做吧。

接下来就应该选择你的基础方案了。开源社区RepRap上有很多种可供选择的方案,如果你难以判断哪些方案会比较好,可以考虑人气最高的那些。如果你有相关的专业技能,不妨试试自己设计一套方案出来,这样做会十分有乐趣,只是相应的也会遇到更多困难。还有一点需要注意的是,让自己设计方案尽量与其他的开源方案在接口上兼容,这样能更好地利用开源社区里的资源。

RepRap提供的大量方案列表:http://reprap.org/wiki/RepRap_Options

如果附近就有很多加工厂,你或许可以借助他们的机器设备来完成3D打印机的部件加工。然而大多数人没有这么方便的条件。这个时候试着问问万能的淘宝吧。

但如果时间比较紧,或者精力有限的话,淘宝上还可以买到基本加工完成的套件,只需要按照步骤组装调试就可以了。不过即使这样,了解一些设计目的和工作原理也是很有意义的。

以下每一步中给出的预算,是以“透镜”项目为基础,包含了以防万一的冗余成本。所以如果是个中老手的话,实际成本会比这低。物料清单也是以“透镜”所使用的方案为准,因此可能会与你实际选用的方案有很大不同。

Step 2: 机械结构

预算:2000元

参考清单:

  • 胶合板:1m×2m(单张大板没法包装快递,所以最好自行到附近的建材市场购买,或者考虑其他方案)
  • 标准件若干:M6螺钉、螺母、垫片,M3螺钉、螺母、垫片,M3.5螺钉、螺母、垫片……(建议按整包买)
  • 内径6mm的V槽滑轮轴承与圆形轴承若干
  • 42步进电机×4(其中一个自带300mm丝杆)
  • 同步带1m
  • 齿轮(规格要与步进电机和同步带配对)
  • 挤出机喷头
  • 螺丝刀一套
  • 游标卡尺一把
  • 米尺一把
  • 台锯:用于自行切割零件
  • 台钻与对应的麻花钻:用于自行给零件钻孔

按照FDM的原理,需要一个驱动喷头与平台做精确相对运动的驱动系统。这个驱动系统一般采用三维直角坐标系,将三维方向上的运动分解成三个方向上的直线运动,分别由三个轴之一来驱动喷头或平台。3D打印机的机械结构应该能让这三个轴都能独立受控移动。每个轴常用的结构有丝杆结构和同步带结构两种,用一台步进电机(一般是42步进电机)来驱动。

用于熔化及喷出熔融塑料的这部分机械,叫做挤出机。在打印过程中,挤出机要不断向喷头提供塑料丝,因此挤出机也要配一个步进电机进料齿轮,用来进料。为了让进料齿轮和塑料丝之间有一定的驱动力,又不夹得太紧卡死,需要精确的配合间隙调整。这一间隙可以用精密的机床来加工,也可以参考whiteAnt的结构使用手工加工的零件调整松紧。

whiteAnt的机械结构模型(来自www.buildyourcnc.com)

 

挤出机的进料结构,上面是黄铜进料齿轮,下面这个圆盘是可以自由转动的V槽滑轮轴承,侧面有导引用的V型槽

如果是自己手工制作,可以考虑用胶合板这样的材料,既便于加工又有一定的机械强度。如果找工厂代工制作零件,可供选择的材料就很多了。比较推荐的材料是亚克力板,它机械强度高、重量轻、便于加工。如果自己有台钻的话,可以自行使用工具在压克力板上钻孔。还可以使用金属,比如铝合金或者不锈钢。也可以像RepRap那样,绝大多数结构件使用现成的标准件,只用一些3D打印的零件做连接。这些材料也都可以在淘宝上找到对应的原料商和加工厂。

台钻与胶合板

 

标准件(请忽视其中乱入的小物件)

 

仿照whiteAnt机械结构的“透镜”3D打印机,使用亚克力板、胶合板和铁片制作

“透镜”使用的是whiteAnt的机械结构,但是为了符合我国国标把whiteAnt的机械参数做了一些兼容改造。whiteAnt机械部分的工作量较大,因此建议新手参考RepRap Prusa Mendel的方案。

Tip: 亚克力板熔点较低,钻孔时不要让钻头的转速太快,否则摩擦产生的大量热量会让它熔化;而且亚克力板不适合做耐高温的部分,比如载物台和挤出机的某些部位。

Tip: 找代工的童鞋,请一定要提供符合国家标准的图纸。

“透镜”项目图纸的一部分

挤出机的喷嘴是非常精密的部件,自行设计制造会有一定难度,因此可直接购买。

在载物台上,你可以考虑加装一个热床,这是一块放在载物台上用来加热已经挤出的塑料的电热板,它的作用是让已经打印出来的塑料保持较高温度而减少打印过程中热胀冷缩造成的变形。由于ABS材料本身性质,使用ABS的3D打印机必须配备热床。

机械部分组装完以后,还需要电路部分来驱动机械运转。

Step 3: 电路部分

预算:700元

参考清单:

  • 电路所需要的电子元件:见具体方案
  • 数字万用表一只
  • 全套焊接工具:包括电烙铁、烙铁架、高温海绵、吸锡器,焊锡等

电路主要由这几个部分构成:电源;主控单片机;推动机械结构的步进电机及其驱动电路;装在挤出机和热床上的加热电阻;加热电阻旁边的温度传感器;专门负责通过USB与电脑通信的芯片;可选的热床;等等。

组装电路前,最好练习一下手工焊接的技巧。

RepRap上一些可供选择的电路设计:http://reprap.org/wiki/List_of_electronics

元器件不管是网购,还是到当地电子市场购买,都建议常见的元件尽量一次性购买,这样可以省下不少运费。

Tip: 有些元器件在国内比较难找,但是可以找到性能相近的替换,例如一种大功率MOS管IRLB8743通常可用国内更常见的IRF3205来代替。

组装电路时可以把电路焊在洞洞板上,但是这样做布线比较麻烦,还会留下不少隐患,因此建议使用印刷电路板(PCB)。大多数开源电路设计都提供了PCB图。找PCB代工厂打样还是很划算的,例如在Generation 7 Electronics只要大概一百多块钱就可以得到五块样板子,尺寸小的更便宜。只需要向代工厂提供通用格式的PCB图就可以了。

PCB到手以后,还需要根据电路设计的物料清单自行购买元件和用到的成品模块,在设计PCB时要给元件和模块留出对应的焊盘和接口空间。

Generation 7 Electronics加工,尚未焊上元器件的PCB板

Tip: 在电路板上焊接元件,注意要按照从低到高的顺序进行。

焊上了电阻和瓷片电容的PCB,这样接下来就可以焊接“海拔”更高的元件了

 

电路板接近完工的样子

Tip: 有的元件容易受静电等因素损坏,例如MOS管,这种元件可以留到最后其他部分电路检查好了之后再焊上去。这时你可以忽略上一条tip。

Tip:数字万用表用于测量电路两点之间是否连通的蜂鸣器档在检测短路和断路时非常有用。

电路中的通信芯片在正式使用前需要在电脑上安装驱动。具体的做法是,到通信芯片官方网站下载驱动和配置工具,把电脑和电路通过USB线相连,连接成功以后,按照芯片说明配置好芯片。如果连接不成功,请检查线路连接。

MCP2200通信芯片的配置

如果你想自己设计电路,强烈建议至少参考RepRap网站上比较流行的方案之一。尤其是当单片机的各引脚定义相同时,可以很方便地把其他的软件移植到你的电路上。对软件的讨论请看下一节。

Step 4: 软件部分

预算:20元

参考清单:

  • 微控制器对应的编程器
  • 连接线

如果在电路部分使用的是RepRap上的某个方案,或者自己设计的一套与之兼容的方案,那么恭喜你,已经有现成的固件(firmware)了。接下来只要把固件烧写到单片机上。这时请参看电路设计中的说明。你可能需要一个几十块钱的烧写器。

“透镜”中的AVR单片机在使用前初次使用要烧写固件,因此要通过USBasp将AVR单片机与电脑连接

 

Teacup固件中的部分代码,这里是要把浮点运算转为整数运算,以提高运行效率

Tip: 至于选用哪个固件方案,请参考电路设计中的推荐。

如果精通机电知识,自己写固件可能会是一件很有意思的事情。这里会用到一些常用的算法,还有G代码(G-code)的解析。只是要把性能调到最优,得花不少功夫。

3D打印时,先在电脑上将STL格式的模型解析得到打印的路径,再将这个路径转换成G代码,并传送到单片机上。这一部分工作是由主控软件(host software)完成的。现有的主控软件界面友好,只要导入STL模型,并连接到3D打印机,它就可以工作啦。

RepRap中常用的工具链(来自reprap.org)

不论是固件还是主控软件,都需要调一些参数,这些参数在软件的文档中都有说明。借助万用表和游标卡尺做完最后一点调整,接下来就可以测试机器了。

Step 5: 调试

我建议调试从电路入手。把电路通电,连接上电脑,这时可以通过主控软件给电路发送一些指令,如果有相应的响应,那么3D打印机就可以进行最后一步测试。否则请仔细检查问题,可能机械有哪个地方卡住了,或者电路哪里没连通,等等。

最后一步,请找到一个可以用手头3D打印机打印的STL模型文件。可以到Thingiverse找找,也可以试试自己制作STL模型。把这个模型用3D打印机打印出来,等待几小时,静静享受美好的成就感吧。(尽管我还没享受到π_π)

这是我们的项目“透镜”的文档(还在努力建设ing……),欢迎各位制作3D打印机的童鞋前往建设以及拍砖:https://github.com/Dugucloud/lentoid-3dp

 


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The End

发布于2014-01-06, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳

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秋纫

电子信息工程专业

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