基于MACH3软件控制的3D打印机常见问题
作者：刘子玉吴海江杨晓雨吴俊李勇刘昊
来源：《中国科技纵横》2016年第10期
【摘要】3D打印技术，是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。
它与普通打印机工作原理基本相同，通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。
随着3D打印机的兴起，相对3D打印技术方面的问题也会越来越多。
本文将以作者使用MACH3软件控制制作FDM型3D打印机发现的问题为主，结合查阅的资料，与大家共同探讨以找到解决问题的最佳方案。
【关键词】工作原理常见问题打印效果解决方案
1FDM型3D打印机工作原理
采用FDM技术3D打印机，喷头热熔性丝材（通常为ABS或PLA材料）先被缠绕在供料辊上，由步进电机驱动辊子旋转，丝材在主动辊与从动辊的摩擦力作用下向挤出机喷头送出。
在供料辊和喷头之间有一导向套，导向套采用低摩擦力材料制成以便丝材能够顺利准确地由供料辊送到喷头的内腔。
喷头的上方有电阻丝式加热器，在加热器的作用下丝材被加热到熔融状态，然后通过挤出机把材料挤压到工作台上，材料冷却后便形形成了工件的截面轮廓。
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2常见问题及解决方案
FDM型3D打印机现在的发展已经趋于成熟，但是还是存在一些问题，结合作者本人在研究过程中发现，对一些问题提出自己的见解。
2.1 温度控制问题及解决方法
FDM型3D打印机打印材料为ABS和PLA两种，ABS材料的熔点为210-250度，PLA材料的熔点在180-200度，加热温度偏低，材料的流动性较差，喷嘴出丝不均匀，时快时慢，导致打印出来的实体分层现象严重。
加热温度偏高，材料流动性虽好，但是温度过高会使材料碳化，造成喷嘴的堵塞。
现在市场上主要采用单片机控制3D打印机的加热，价格比较昂贵。
单片机用的软件大多都是开源的，所以打印的稳定性专业性无法保证。
出于成本考虑，作者没有采用单片机进行温度控制。
而是采用REC-100型继电器输出温控仪来控制加热温度。
此款温控仪可以直接输出
12V电压来控制加热管的工作。
与采用软件控制温度相比，温控仪控制精度更高，而且加热较平缓。
温控仪可以直接使用外部面板调节加热温度，操作更加方便快捷。
2.2 打印错位问题
打印错位问题是3D打印机常见问题，作者在调试过程中也曾多次遇到。
引起打印错位的原因有很多，常见的错位原因有以下几个。
（1）切片模型错误。
现在用的最常见的软件是Cura、Repetier这两种。
开源软件在打印过程中无法保证稳定。
还有每个设计模型图出来不一定就是完美适合软件，所以打印错位首先模型图不换，把模型图重新切片，模型移动个位置也好，让软件重新生成GCode打印。
（2）电压不稳定。
电源是否稳定直接影响到步进电机的运转。
打印错位时注意是否为有大功率电器电闸关闭使电压波动，如果有，打印电源加上稳压设备。
如果没有，观察打印错位是否每次喷嘴走到同一点出现行程受阻，喷嘴卡位后出现错位，一般是X、Y、Z轴电压不均，调整主板上X、Y、Z轴电流使其通过三轴电流基本均匀。
（3）同步带松动、步进电机拖动力不足。
同步带在使用一段时间后会失去弹性，如果出现丢步现象，可以尝试更换同步带。
此外，步进电机拖动力不足也会导致丢步现象的产生。
针对这种情况，可以更换更大功率的电机或者重新设计挤出机部分结构以减轻重量。
（4）软件设置问题。
作者在制作过程中使用MACH3软件进行控制。
在排除上述问题后，作者尝试对软件中步进电机的控制参数进行修改调试。
下图1为不同参数设置下的打印效果。
图1.1 图1.2 图1.3
图1为不同参数设置下迷宫模型打印效果。
在第一组所示参数设置下，步进电机速度曲线较陡，加速过快，丢步现象严重，打印时产生严重的错位。
第二组参数下步进电机运动曲线十分平缓，加速度参数较图1减少200 ，打印效果略有提高，但错位现象仍然存在，且打印速度大大减慢。
第三组参数主要变化为步进脉冲设置，增加步进脉冲，延长步进电机脉冲时间，可以是步进电机运行更加平稳准确，大大减少了步进电机的丢步情况，从而解决了打印错位的状况。
2.3喷嘴堵塞问题
喷嘴堵塞是3D打印机最常见的问题之一，造成这一现象的原因很多，受篇幅限制，本文仅说明几个常见的产生原因。
（1）材料质量。
市场上3D打印机的耗材很多，价格也不同，高则上万元一公斤，低则几十块钱一公斤。
在使用廉价的耗材时发生过多次喷嘴阻塞的情况，在清理喷嘴时发现这些耗材大多有内里中空的问题。
这导致在向下送丝的过程中，耗材与管壁紧贴，不能及时融化，从而阻塞了液体流动的通道，导致喷嘴堵塞。
（2）加热温度过高或喷嘴中有异物。
PLA材料和ABS材料都有着固定的熔点，温度控制超过该温度，材料就会在喷嘴里碳化，长时间就会导致喷嘴堵住。
同样如果喷嘴中有异物没有及时清除，也会严重影响喷嘴的出丝，甚至堵住喷嘴。
定期的清理可以有效避免这一状况。
（3）操作问题。
没有正确装料丝，进料塞柱没有调整好，或者进料齿轮、进料喉管、喷头处有残留的断丝，造成3D打印机无法正常挤出料丝，最终堵塞喷头。
所以，在给设备更换材料时应该注意以下两件事：1）在更换料时，取出材料时建议先启动进料程序，使喷嘴正常出丝，使喷嘴正常喷胶丝，使进料管中的材料连续性较好，然后再选择取出胶丝程序。
这样有利于胶丝正常取出。
2）在进行更换材料时，不可过于大力量往喷嘴填充胶丝，或者取出材料是不可过于大力量往外拉拔胶丝，这样都有可能拉断胶丝而残留在喷嘴或进料通道中而引起堵塞。
作者在研究过程中多次遇到过这些情况，在查阅资料后对如何清理喷嘴有了一定的经验。
将喷头温度手动调节至240℃，将前风扇拆下，温度达到后，手动往进料喉管中挤压胶丝，使喷嘴正常出丝。
接着拔出胶丝，再次进入进料喉管后，稍等胶丝熔化后拔出胶丝，使半熔化的胶丝将喷嘴中的残留物带出。
反复操作几次。
使用钢丝疏通喷嘴。
然后重复。
将喷头拆下，放于丙酮溶液中清洗。
2.4打印上表面凹陷及拉丝问题
在打印较大的物体时，经常会出现物体上表面凹陷的情况。
产生的原因是材料冷却不及时。
针对这一现象，作者对3D打印机挤出机做了一定的改进。
在步进电机下方安装一个涡轮风扇，并设计一个风道盖与风扇配合使用，用风扇直接为打印体散热。
此法可以快速降温，使物体快速冷却，解决凹陷。
拉丝也是打印过程中常见问题之一。
拉丝问题是3D打印的一大难题，打印头在非打印状态下移动时，打印头滴落部分细丝。
解决这个问题目前还没有好的方法，比较有效的方法是适当调低加热温度。
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，形成拉丝了。
此外，还可以尝试使用流动性较弱的材料，都能有效地减少拉丝现象。
3结语
目前3D打印机主要运用于航空航天、医疗设备、高科技研发及制造业。
然而现在的3D 打印机还存在着精度低、材料受限、时间过长等问题，但是随着科技的发展，3D打印技术一定会日益完善。
我相信随着这些问题被一一解决，3D打印机也会走入平常百姓的家庭。
本文所述的仅仅是作者的一些经验之谈，希望对进行3D打印制作的工作者们有所帮助。
参考文献：
[1]王瑞玲.3D打印机设计的初步分析[D].黑龙江：黑龙江生态工程职业学院.
作者简介：刘子玉（1995—），男，汉族，江苏徐州人，本科在读，徐州工程学院，机械设计制造及其自动化。
