FDM打印机学习

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FDM打印机是通过喷头融化丝状耗材（PLA，ABS等材料），然后逐层涂在热床上，一层一层逐级抬高。

结构分类

Prusa i3型是一种龙门结构，这种结构的打印头沿着X轴和Y轴移动，而打印平台则沿着Z轴移动。I3结构通常配备有一个或两个挤出头，支持打印多种材料。

Core XY型是一种XY轴结构， XY轴由一个或多个电机驱动，而Z轴由另一个电机驱动。这种结构设计可以实现更高的打印速度和更快的换向，因为它消除了传统设计中XY轴移动时的机械限制。Core XY打印机适合高速打印和精确控制，但可能需要更多的组装和校准工作。

Delta / 三角洲（并联臂）型是一种并联臂结构，三角洲打印机以其独特的三角形支架结构而命名，这种结构在三个支撑臂上分别安装有打印头，形成一个稳定的三角形。打印头的移动是由三个独立的斜杆和带轮系统控制的，这使得运动非常平滑且快速。三角洲结构通常具有较高的打印速度和良好的稳定性，适合快速原型制作和小型零件的打印。缺点是打印平台的面积通常较小，不适合打印大型物体。

基本结构

1、送丝机构：将塑料丝从卷轴送入挤出机，并保持一定的送丝速度。

2、挤出机：这是FDM打印机的核心部分，负责将熔融的热塑性材料挤出并沉积在工作台上，形成所需的形状。挤出机一般是由一个步进电机，一个加热器，一个喷嘴和一个风扇组成。

3、打印平台：用于支撑打印物体，可以上下移动。热床一般是给材料加热，把材料粘在上面，防止翘边。

4、移动系统：包括x轴、y轴和z轴的驱动机构，使打印头能在三维空间内移动。步进电机带动丝杆转动，从而使喷头和热床移动。

5、控制系统：通常由计算机和相应的软件组成，负责控制整个打印过程，包括路径规划、速度控制、温度调节等。

6、冷却系统：在打印过程中，为了加快固化速度和防止融化塑料粘连，通常会有冷却风扇对打印物体进行冷却。

工作原理

FDM打印机的工作原理主要基于熔融沉积成型技术（Fused Deposition Modeling）。

首先，将低熔点丝状材料通过加热器的挤压头熔化成液体。然后，挤压头沿零件的每一截面的轮廓准确运动，将熔化的热塑材料丝通过喷头挤出，沉积在工作台上。每完成一层成型，工作台便下降一层高度，喷头再进行下一层截面的扫描喷丝。如此反复逐层沉积，直到最后一层，最终形成一个实体模型或零件。

在FDM打印过程中，每一个层片都是在上一层上堆积而成，上一层对当前层起到定位和支撑的作用。送丝机构为喷头输送原料，送丝要求平稳可靠。送丝机构和喷头采用推-拉相结合的方式，以保证送丝稳定可靠，避免断丝或积瘤。

此外，FDM打印机还需要配合计算机软件程序进行控制，以确保打印精度和打印速度。打印材料的选择也非常重要，需要选择黏度低、熔点低、黏结性高、收缩率小的热塑性材料，以保证打印出来的物品质量和精度。

打印机的控制

位置控制

FDM打印机的打印头通常由一个或多个步进电机或伺服电机驱动，通过控制这些电机的转动来精确控制打印头在X、Y、Z三个轴上的位置。这些电机通常与打印机的控制板相连，控制板根据切片软件生成的G代码（一种描述机器运动轨迹的语言）来控制电机的转动，从而精确控制打印头的移动轨迹。

流量控制

流量控制是指控制打印头挤出的塑料量。通过控制挤出机的转速和喷嘴的直径来实现。打印软件会根据切片数据计算出每个时间段内需要的塑料量，然后通过电子驱动器或步进电机控制挤出机的旋转速度，从而控制流量。

流量控制对于确保每一层的塑料量是均匀的至关重要，这直接影响到打印出的模型是否会出现层间粘连或不均匀的问题。

流速控制

流速控制是指控制塑料丝在打印头挤出时的速度。通过控制打印头的移动速度来实现。打印软件会根据切片数据计算出每个层的打印路径和所需时间，然后通过电子驱动器或步进电机控制打印头的移动速度。

流速控制影响到打印速度和熔融塑料在打印头中的冷却速度，这会影响到模型的细节和表面质量。

温度控制

打印头中的挤出机需要精确控制温度，以确保塑料丝能够熔化并均匀地挤出。温度的控制通常通过热敏电阻（NTC）传感器和加热元件来实现，计算机控制系统会根据打印需求调整加热元件的功率，以维持恒定的温度。

为了保证材料能顺利地从喷头挤出，喷头的温度必须高于材料的熔点，不同的材料需要不同的喷头温度。打印材料挤出后，需要在打印平台上堆积成型。目前市面上绝大多数消费级FDM打印机都是敞开式的，材料成型的环境温度和室温一致，一些材料（例如ABS）从喷头挤出后，一下子冷却到室温，与打印平台的粘附就会不牢，导致后面打印失败。通过加热打印平台可以改善这种情况，这种可加热的打印平台也被称作热床。合适的打印平台温度可以有效地增强材料与平台的粘附力。而打印工程塑料或者高性能特种工程塑料，由于材料冷却固化后内应力比较大，打印过程中很容易翘曲变形，这时仅仅有热床就不够了，还需要有一个具备一定温度、封闭的恒温舱。

数学建模

挤出过程建模

塑料的熔化和挤出过程可以通过流体力学和热力学的方程来描述。熔化过程中，塑料的温度分布和熔化速率需要通过热传导方程来模拟。挤出过程中，塑料的流量与挤出机转速、螺杆几何形状和温度有关，这可以通过流变学方程来建模。

路径规划建模

数学模型需要规划打印头的移动路径，以确保材料能够精确地沉积在正确的位置。这涉及到计算几何学中的路径规划和算法，如Bresenham算法或最近点路径规划算法。

层间黏结模型

在FDM打印中，不同层之间的黏结强度对打印质量至关重要。层间黏结模型描述了相邻层之间的黏结机制和影响因素，如材料的表面张力、润湿性和固化时间等。

温度模型

FDM打印过程中，材料的温度是一个关键因素。温度模型描述了打印头、工作台和周围环境的温度分布和变化。这个模型需要考虑热传导、对流和辐射等多种热传递方式，以及材料的热物性参数。

材料特性模型

塑料的物理和化学特性，如热膨胀系数、熔点和固化时间，需要被模型化。这些模型可以帮助预测打印过程中的材料行为。

力学模型

打印出的物体在固化后的力学性能也需要被考虑，这可以通过有限元分析（FEA）来实现。模型可以预测打印物体在不同应力和温度条件下的强度和变形。

机器学习

为了进一步提高打印质量和效率，可以使用机器学习算法来优化打印参数。这些算法可以基于大量的打印数据来预测最佳打印参数。