摘 要：自主组装完成的一款3D打印机，采用Arduino作为核心板调试代码，控制步进电机完成FDM技术打印任务，还原了电影中人物造型，将钢铁侠成功塑形。分析了FDM技术遇到的问题和原因，并进一步完善作品的制作。
关键词：3D打印技术；FDM技术；模型
中图分类号：TP334 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）36-0140-02
Abstract： A self-assembled 3D printer， using Arduino as the core board debugging code， controls the stepping motor to complete the FDM printing task， restores the characters in the film， and builds the character like the iron man successfully. This paper analyzes the problems and causes of FDM technology， and further improves the making of the works.
Keywords： 3D printing technology； FDM technology； model
1 3D技术简介
3D[1]技术是依据三维CAD数据将材料连接制作物体的过程，相对于减材制造，它是逐层累加过程。在制造过程中，人们可以发挥想象力，使得工业装备逐步走向生活，使得创造更加容易，让过去繁重和枯燥的劳动变成创新生活的乐趣。3D打印[2]在个人消费品领域及个性化创意的应用以及数量较大的生活用品制造方面将有良好的发展前景。目前主要局限于材料试用范围少，制作精度比较低等问题，因此3D打印与人们的生活结合还比较薄弱，科学技术的普及还不够充分。
3D打印的“制造+服务”模式将会改变人类现有的生活方式，实现物质个性化的精神层面需求，越来越多的家庭会应用3D打印机。特别是工业4.0时代的到来，可能会使人们获取商品的方式产生变化；消费者可以在“淘宝”商城里购买到设计点子或者3D产品数据，可以在平台商下单，经过3D打印制作、验证、运作等流程，转化成汽车、医学、电子电器、日用品等实体产品[4]。
2 FDM技术的解决方案
本作品是采用Arduino控制板组装调试3D打印机，运行速度快，稳定性好，细腻度高；掌握软件建模技术：运用3D Studio MAX4创建三维实体模型，并研究Cura软件的切片技术；打印材料选用生物可降解材料，安全环保；将3D技术与Arduino技术结合，实现软硬件组装运行，完成《钢铁侠》角色的实体模型。
FDM（Fused Deposition Modeling，熔融沉积成型）技术方法采用电加热融化丝状材料，由三轴控制系统移动熔丝材料，逐层堆积成形三维实体。材料通常为低熔点塑料，先制成丝状，再通过送丝机构，送进喷头，在喷头内被加热熔化；喷头在电路板的控制下沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，将熔化的材料挤出，材料迅速固化，并与周围材料粘接，通过层层堆积成形，最终完成零件制造。初始零件表面较为粗糙，需要配合抛光技术处理。塑料材料，熔融成形后零件强度好，系统成本低。最大不足是成形材料种类少，精度略低。
FDM技术使用的热塑型材料，是所有3D打印技术里最廉价的材料，可以使完成3D打印产品。Arduino是个完全开源的平台，里头包涵了非常多的库，可以自由的组合使用。设计图纸和开源库，加上采购的铝型材管，热床，热敏电阻，光丝杆等零件，组装出了这台打印机。将程序烧入主控板，给3D模型切片后就可以打出各种模型，制作了全新的影视特效人物3D模型[3]——钢铁侠。模型打印中会遇到很多问题，有残缺，翘边，表面有疙瘩，厚度太薄，导致打印出来模型强度不够，打印机的因为零件損耗导致异响，平台涂胶过少导致模型被喷嘴刮倒等各种问题。在不断的调试打印机，最终项目完成质量较好的，比较完美的钢铁侠人物原型。30年前，Stratasys的创始人申请并获得了FDM（Fused Deposition Modeling，熔融沉积成型）技术专利，迄今为止这仍是3D打印最核心的技术。但是FDM机型在实际应用中会遇到以下的打印问题，并有待解决。
2.1 翘边
当模型打到上层部分时，底部因为与平台附着差，冷热不均，一些边角就会出现翘边，从而影响模型的精度与美观。模型底部一个或多个角翘起，就无法水平附着于打印平台。会导致顶部结构出现横向裂痕。翘边是常见问题，往往发生于第一层塑料因冷却而收缩时。模型边缘因此而卷起。使用加热打印床，使塑料保持温度，不至于固化——称为“玻璃化转变温度”。第一层材料可平坦地附着于打印床。在打印床上均匀地涂上薄薄一层胶水，增加第一层材料的附着力。确保打印床完美水平。可能需要增加垫子结构，来加固打印平台的粘着力。即使打印机有加热床，还是建议用胶水，并且调平打印床。
2.2 大象腿
大象腿即模型底部（第一层）设计的尺寸宽。为了避免翘边，用户常常会压扁第一层材料。这容易使底部突出-因此成为“大象腿”。也可能随着模型重量的增加而对第一层材料形成挤压，如果此时底层还未固化（尤其是打印机有加热床的情况下），就可能形成此问题。要想同时避免翘边和大象腿，有点难。为了尽可能减少模型底部的突起，建议调平打印床，打印喷头略微远离打印床（但不要太远，否则模型就无法粘附了）。此外，略微降低打印床温度。如果是自己设计的3D模型，在模型的底部挖个小倒角。从5毫米和45度的倒角开始试验，直至最理想的效果。
2.3 第一层的打印问题
第一层材料粘附不理想，因此有些结构出现了松散。底部出现了不需要的材料线。这是打印床没有调平的典型案例。如果喷嘴离打印床太远，底面就会出现不需要的线条，或者第一层无法粘附。如果喷嘴靠得太近，就会结块。此外，打印床要尽可能干净。打印平台的指纹印可能会影响第一层的粘附。使用打印机软件，重新调平打印平台。清理打印平台上的指纹印。打印前涂上薄薄一层胶水。
2.4 底部结构收缩
模型底部零部件凹陷。加热床温度过高。加热挤出后的塑料像橡胶一样：先展开，然后冷却收缩。打印床的热度只能传递到一定高度（取决于温度）。此高度以下的塑料保温和可延展时长超过了上方的塑料材料。因此，受上层重量的挤压，底部凹陷。降低打印床热度。有些打印机的打印床默认温度是75℃，然而PLA材料的最佳温度是50-60度，打印机内低处的冷却风扇全速转动。打印小型模型时，建议一次打印两份或者同时打印两件不同的模型。如此一来，打印头在每一层停留的时间就会延长。打印底座大的模型时，不要降低打印床温度——否则，容易翘边。
2.5 倾斜的打印件/层错位
模型的上层移位。X或Y轴的打印头不易移动。X或Y轴没有对齐，也就是说没有构成100%的直角。有滑轮没有固定到位。关掉打印机电源，徒手试试是否能轻松移动各轴。如果感觉僵硬，或者某个方向更易/较难移动，那么在轴上抹一滴缝纫机油。为了检查各轴是否对齐：向打印机左侧和右侧移动打印头，检查滑块间距、两边的滑轮。重复此步骤，检查打印机前后。如果存在未对齐的情况，松开有问题的滑轮螺丝。略微推动滑块，对齐轴，然后紧固螺丝。另一轴重复上述步骤。检查滑轮的螺丝是否紧固。需要的话，进行加固。
2.6 层未对齐
模型中间的一些层出现位移。
打印机皮带没有紧固。顶板没有加固，围绕底板摇晃。Z轴有一根杆不够直。检查皮带，根据需要进行加固。检查顶板，根据需要进行加固。检查Z轴杆，更换不直的杆。
2.7 丢失层
模型打印中跳过了某些层，导致存在间隙。由于某些原因，打印机未能在本该打印的层提供所需的塑料材料。这就称为（临时）未挤出。可能细丝（比如直径有差异）、细丝卷、送丝轮存在问题或者喷嘴堵塞。打印床摩擦造成了暂时性的卡死。这是由于垂直杆没有完全与线性轴承对齐。Z轴杆或轴承存在问题：杆歪曲、脏或抹油过度。找到杆和轴承的问题，并解决。比如，如果油太多，那就擦掉。如果怀疑杆和轴承没有对齐，查阅打印机用户指南，了解矫正方式。找到未挤出的原因会比较难。检查细丝卷和送丝系统。打印测试，看看问题有没重现——这有助于找到问题。
2.8 高个模型出现裂痕
模型的侧面出现裂痕。此问题在高个模型中尤其多见。顶部材料比底部材料降温快——因为加热床的温度无法传递至高处。因此，顶部材料的黏合度降低。
提高挤出机温度——最好提高10℃。打印床温度提高5-10℃。
2.9 下陷
模型的上表面出现凹陷，甚至有洞。通常是由于冷却存在问题。上表面不够厚实。打印上表面时，将冷却风扇设置为最高速。确保上表面至少有6层厚度。
2.10 拉丝
模型零部件间出现不需要的塑料丝。打印头在非打印状态下移动时，打印头滴落部分细丝。大多数打印机都有回缩功能。启动此功能后，在非打印状态下移动打印头前打印机就会缩进细丝。这样就不会有多余的塑料材料从打印头滴落，形成拉絲了。确保在分层软件中启动此功能。
建模文件形体较好，比较还原电影中人物造型。当然打印中还出现过挤出机因为松紧问题打滑导致送料不足，喷嘴部分出丝不均导致模型细节崩塌，拧紧解决。同样当高强度使用打印机之后，挤出机中送料的齿轮因为磨损而有滑丝，导致送料时打滑，同样造成模型打印失真，后更换全新结构的挤出齿轮解决。
模型精度初步达到了预期，由于电机的细分，挤出头的更换，散热更好等原因，打印成品已经有基本的精度，在影视道具和设计打样有着比较大的运用。
3 结束语
基于Arduino的3D打印机，打印速度快、稳定性好、细腻度高， 3D打印技术将三维实体加工变成二维平面加工，降低了制造的复杂度，将自己的想法转化成为现实。电影中、游戏中的角色，都可以运用3D打印技术实现，例如《钢铁侠》、《守望先锋》、《海贼王》等个性化的人物。对3D打印机的灵活应用本身就是一个创新和创造的过程，形成创造性思维和运用3D建模软件设计的习惯，大胆地去想和做，发挥和培养创造性的智商。
参考文献：
[1]琼·霍瓦特.3D打印技术指南：建模、原型设计与打印的实战技巧[M].张佳进，等，译.人民邮电出版社，2016：12-16.
[2]郎为民，徐延军.一本书读懂3D打印[M].人民邮电出版社，2016：1-33.
[3]王铭，刘恩涛，刘海川.三维设计与3D打印基础教程[M].人民邮电出版社，2016：140-145.
[4]刁彬斌，蒋礼，王璇，等.小创客轻松玩转3D打印[M].化学工业出版社，2017：32-132.