數位設計製造 open source DIY 套件實作

擠出噴頭上方 XY 軸運動方向結構，主要零件以兩個直線軸承 LMK-8UU 作為主 要的滑動結構，線性軸承是由鋼珠之轉動運動的直線運動機構，構造簡單可獲得 低摩擦的直線運動。在圓筒形狀的外筒中套入保持器及鋼珠，在兩側端部以止動 扣環將保持器固定於外筒上。 保持器上的導引迴路使鋼珠能夠順暢地循環滾動，

以獲得圓滑且順暢的直線運動。

圖25. 擠出頭運動機構外觀

XY 軸運動四周方向主要以四個 SC-10UU 直線軸承為主體架構，上方以訂製鋁塊 鎖緊固定 2GT 時規皮帶，時規皮帶為步進馬達所帶動，控制 XY 軸的 SC-10UU 沿著 10mm 鍍鉻軸棒運動，同時上方的鋁塊也固定 8mm 的鍍鉻軸棒控制中央的 擠出噴頭在 XY 方向的運動，四周的 10mm 軸棒與中央 8mm 軸棒不同的是除了 提供直線軸承的運動路徑，在步進馬達以 2GT 時規齒輪帶動皮帶時，也會帶動 皮帶連接到的 10mm 軸棒進行轉動提供軸棒本身相垂直方向的直線軸承滑動。

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圖26. 四周皮帶牽引滑塊

由於四周 10mm 軸棒除了成為路徑也需要本身轉動傳遞動力，因此在兩端的固定 上不能完全鎖死，因此兩端採用迷你型連座軸承 UFL000，為軸棒本身固定的同 時也能為其提供轉動的穩定性以及順暢度。

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圖27. 迷你型連座軸承以及時規齒輪

XY 軸的動力來源由 NEMA17 步進馬達藉由訂製的 36 齒 2GT 時規齒輪以及時規 皮帶傳遞(圖 28)，步進馬達採用的是雙極性驅動、四線式、步距角 1.8 度。

圖28. NEMA17 步進馬達

Z 軸的運動使用滾珠螺桿，滾珠螺桿（Ballscrew），是一種鋼珠介於螺帽與螺桿之 間做運動，將傳統螺桿之滑動接觸轉換成滾動接觸然後再將螺帽內的鋼珠迴轉運 動轉為直線運動的傳動機械組件。滾珠螺桿具有定位精度高、高壽命、低污染和 可做高速正逆向的傳動及變換傳動等特性，因具上述特性，滾珠螺桿已成為近來 精密科技產業及精密機械產業的定位及測量系統上的重要零組件之一。

使用滾珠螺桿可以提供較一般螺桿更為精確的定位，對於完成品的精細度有決定 性的關鍵，因為完成品的表面細緻程度是由每層的高度所決定，滾珠螺桿能提供 更精準更細微的 Z 軸移動，穩定性也較一般螺桿佳。

在馬達的負荷上由於轉動較一般螺桿更為順暢使的馬達負荷更輕，缺點為造價比 一般螺桿高上數十倍，尺寸的選用及牙距在設計上需注意，傳統 RepRap 所使用

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的牙距為 1.25mm，不過可以藉由 Arduino 韌體修改優化定位精準度，所以在此處 的滾珠螺桿牙距為 5mm 並未照原始韌體中所採用的滾珠螺桿牙距。

圖29. Z 軸使用滾珠螺桿

在 Z 軸的兩側也安裝了兩個直線軸承提供生成平台的穩定性及順暢度，在滾珠螺 桿的上方以及下方另需安裝連座軸承提供直線定位及轉動時的順暢度，而步進馬 達連接滾珠螺桿則需訂做連軸器以連接馬達軸心 5mm 以及滾珠螺桿端 10mm。

圖30. Z 軸步進馬達與聯軸器

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送料馬達以固定在機殼處而非一般固定於擠出頭上方的方式將 ABS 透過 PTFE 軟管送至擠出頭，使用 PTFE 軟管是利用其高滑順度以及高耐熱性~260 度，避免 軟管與擠出頭端因加熱 ABS 的高溫而造成熔融阻塞擠出噴頭。在軟管的兩端須 以水管止逆管束固定(圖 31)，避免因 ABS 在送料過程中因擠出壓力過大造成軟 管滑出擠出頭端。

圖31. PTFE 軟管與止逆管束

擠出噴頭為訂製的銅製品(圖 32)，因應未來擴充性，設計兩組，一組為使用 3mm 的 ABS 條，一組為使用 1.75mm 的 ABS 條，兩組噴頭噴嘴孔徑皆為 0.5mm，因 孔徑過小在加工時須以氣體放電作精密加工。加熱塊也為銅製訂製品，上有兩孔 可為安裝加熱用繞線電阻與熱敏電阻安裝使用。所採用的繞線電阻規格為 10 歐 姆+-1%5W，熱敏電阻的規格為 100K。

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圖32. 擠出噴頭及加熱塊，加熱電阻，感溫電阻

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以上所有的元件及架構組裝完成後，須就水平以及皮帶的鬆緊度作微調，完成後 整體如圖 33。

圖33. 套件組裝完成圖

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在完成套件組裝後也將傾斜生成平台組裝完成，並在平台上安裝 Heat Bad。

圖34. 傾斜生成平台組裝完成圖

將傾斜生成平台安裝上套件之前，先將馬達接上 Arduino 進行硬體測試，確認馬 達運轉正常，但是在測試的過程中發現由於平台重量的關係，馬達無法順利將平 台舉起。而如果選用更大的馬達，由於馬達是安裝在平台本身架構上，整體重量 依然會增加，馬達仍舊無法順利舉起本身再加上平台的重量。

圖35. 傾斜生成平台開闔測試

傾斜生成平台由於整體結構上設計的重量問題，無法順利完成上機前測試，而這 在之前的 CAD 環境中是無法透過所使用的軟體進行模擬預測的。由此次經驗可 知，平台與馬達需做成分離式設計，以減輕馬達的負擔。

圖36. 傾斜生成平台可開啟最大角度 90 度

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將傾斜生成平台安裝置套件上，測試後可以發現由於傾斜式生成平台的重量過重，

造成套件的 Z 軸馬達負擔過大，也無法順利將 Z 軸進行升降動作。

圖37. 套件安裝上傾斜生成平台

由於前述的原因，生成平台在安裝上套件後仍無法順利進行操作，在接下來的測 試結果僅能以 3D 示意圖表現。

圖38. 傾斜生成平台上機模擬開闔

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在電子控制板的部分採用的是 RAMPS 1.4 與 Arduino Mega 2560，電源供應以兩組 12V，一組為 5A 另一組為 11A，使用此電子控制板組合的原因為其可進入 Arduino 韌體端進行個人化的修改程式碼，為個人使用上的需求作更改，並保留第二組擠 出機步進馬達的接口，也提供了伺服馬達的輸出端，為將來的擴充性保留了最大 的可能性，可傾斜生成平台也可利用第二擠出頭用步進馬達或伺服馬達端做個人 化需求的擴充。相關配置如圖 39。

圖39. 電子零件配製圖

在完成上述後，我們試著將套件連接上可傾斜式生成平台進行測試，可傾斜 式平台以兩具步進馬達驅動平台的傾斜，步進馬達在電子控制板上的接口端 原始設計為提供第二具擠出噴頭所使用，為提供傾斜式生成平台 G-code 訊 號，須將 skeinforge 韌體作修改才能順利產生出傾斜角度訊號，此處我們先 以人工手動編寫 G-code 代碼代替電腦自動生成運算。

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在組裝完成後，需在 Arduino 中安裝韌體，在此選用的是 Marlin，一個基於 Sprinter 所開發出來的韌體，改善了 Sprinter 的一些缺點，使運算的速度更快，完成的表