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DIY为3D立体打印机制作加热工作平台(Heated Build Platform)

先来看一段这块加热平台完成以后的工作视频(链接)!这个Heated bed是为Type A Machine Series 1这款3D立体打印机设计的,但是相同的方法可以用于任何平台的打印机。

买了Type A Machine Series 1这台3D立体打印机有一段时间了。十分喜欢其巨大的“肚量”,可打印尺寸可以大到230mm x 230mm x 230mm(9英寸x9英寸x9英寸)。相比市场上的很多竞争对手来说,确实属于大块头了。当然更不用说其相当有竞争力的价格。不过话又说回来,这么多优 点都是有代价的:缺乏关键的加热工作平台是他的一大软肋。这往往导致用ABS材料的打印作品有严重的边缘翘起(corner lifting, curling, warping)现象,造成作品完全无法使用。

HPB_3d_print_corner_lifting_curling

图1,网上收集到的各种打印后边缘翘起的图片。

这里需要解释一下,为什么加热平台可以避免打印品边角翘起。主要是因为热胀冷缩。比如ABS塑料在打印的时候喷嘴温度高达到240摄氏度将耗材熔 化。拉丝成形后,ABS温度降至室温并开始变得十分坚硬。随着温度而来的就是体积的略微缩小,之所以说ABS形变要大于PLA,除了PLA的熔点 (150ºC)较低以外,ABS的热膨胀系数也要大于PLA。当整个ABS部件的体积大到一定程度时,微小的收缩累计起来造成较大的形变位移,使得最不牢 固的地方,既底部和打印台接触的地方,产生了翘起现象。所以,如果平台维持一定的高温,通常是100摄氏度甚至更高,那打印好的部件收缩程度要大大减少, 有利于在整个打印过程中维持原型。

3D打印的边缘翘起问题很长时间以来一直困扰着我。如果你经常使用PLA作为打印材料,或者用ABS打印小尺寸的作品,也许你不用担心这个问题。反 之如果像我一样,经常使用ABS打印大尺寸的部件,边缘翘起就会变成一个重要课题。我时不时需要打印体积大于100mm x 100mm x 100mm尺寸的部件,不巧PLA又不符合我的需要,所以为我的3D打印机添加一个加热工作平台(Heated Build Platform)看来是必须的了。

由于很幸运地可以使用数控机床,所以我直接使用1/8英寸(3.175毫米)厚的铝薄板。把板加工成打印平台之前,你需要知道大小尺寸等。生产 Type A Machine Series 1这家公司将几乎所有各项尺寸图公布了在网上,可恰恰不透露打印平台的数据。所以——只好自己量了,好在用不着过份精确。

HPB_Aluminum_Sheet_For_HBP

图2,铝薄板已切好合适的大小准备数控机床打孔。

HPB_Mill_Slot_On_Corner

图3,空有点打得难看,使用数控机床还不够熟练。孔边缘用counter sink削去了棱角以防划伤。

在我上一篇“DIY将家用小烤箱改装成电路板回流焊接炉(reflow oven)”里,我讨论了如何使用单片机,热偶式温度传感器以及继电器来控制家用小烤箱的温度。现在转变成要控制这块铝薄板的温度,其实是一回事情。大部分东西可以直接拿来用,需要变化的是,加热源和继电器。我使用TE的10欧姆16W金属电阻和Fairchild的N通道场效应管FQPF33N10L。这款N-Channel MOSFET只需要2V左右的栅极电压,因此可以直接用单片机的逻辑电平控制。

HPB_Metal_Clad_Resistor_HBP

图4,发热电阻用螺丝钉在了铝板背面。建议安装前贴一层导热胶布以便更好的热传导效果。

HPB_8_Metal_Clad_Resistor

图5,一共8个电阻以并联两组各4个串联的方式连接。因为这样需要的接线最少。4个串联的10欧姆/16瓦电阻需要至少48V的电压来驱动才能获得 最高的热功率输出。每个电阻需要1.2A的电流,既耗电14.4瓦。总共加起来需要48伏/至少2.4安开关电源。实际的测试显示铝薄板在室温下维持 100摄氏度的高温差不多耗电150瓦左右。另外,途中棕褐色的细线是热偶式温度传感器。用来向单片机通报实时温度值。

HPB_N_MOSFET_Switch

图6,N通道场效应管已经连到了单片机上。建议在单片机管脚后串联一个100欧姆的电阻,以避免震荡电流击毁单片机管脚。其余连线很简单:N MOSFET是地位开关,所以将48伏的电源输出端直接接到电阻负载上,电阻负载另一端接到MOS管漏极,源极接地。

HPB_Print_Flat_Base_No_Corner_Lifting

图7,好了,这里是一张在加热平台上完成的3D打印作品。可以看到四边平直地贴在平台上没有翘起。

HPB_Big_Print_Result

图8,这张图里是目前为止我打印过的最大尺寸的部件。耗时可谓“旷日持久”,不过结果很好。加热工作台确实很好地发挥了作用。另外你还可以看到,现在我可以打印“可剥离”的底座。下回我会讨论如果3D打印“可剥离”的底座。