谭信勇 宋慧 程靖 赵昕书 沈建强 徐振旭

摘要：在目前的桌面级3D打印设备的使用过程中，PLA材料的利用率不高。在使用PLA材料进行3D打印时会有很多的废料产生，例如在打印机挤出口移动过程中产生的细丝和在某些结构打印时必要的支撑所用的材料。如何将PLA材料的利用率提高，减小其对环境的污染，成为当前桌面级3D打印亟待解决的问题。如果能将PLA废料粉碎、融化之后回收再造，将会使PLA材料的利用率大大增加。因此，PLA材料回收再造一体机的设计，相关控制系统的设计制作，对于PLA废料的回收，更加高效合理的利用PLA废料，具有重要的研究价值。在机械设计方面，需要将漏斗、送料管、螺旋杆与挤出模头相连接，螺旋杆与步进电机相组合，电阻加热丝环绕在送料管上。在系统设计方面，采用Arduino MEGA 2560開发板与步进电机驱动器、温敏电阻、加热器、LCD12864液晶屏等相连，组成控制系统。

关键词：3D打印;PLA;Arduino MEGA

引言

随着环保意识的不断高涨与智能制造的不断兴起，桌面级3D打印的不断普及，3D打印技术作为一项同时具备了环保与个性化的产品定制技术，越来越多地出现在大众的视线中。 越来越多的家庭、实验室等各种小场所也能进行3D打印了。聚乳酸PLA材料是众多的熔融沉积使用材料中最环保，对产品成型影响较小的材料，并且其特性为热塑性塑料、来源广、可降解。PLA作为打印耗材占据3D打印市场的重要地位，其一般循环过程如图1所示。由于PLA材料的多种独特的性质，PLA材料被生物医学领域认为是在全球的各种材料之中的最有发展潜力生物医用材料之一。研究如何将废弃的PLA材料回收，能有效的节约资源，保护环境。

1硬件系统设计

Arduino Mega 2560是基于ATmega2560的微控制板，有54路数字输入/输出端口（其中15个可以作为PWM输出），16路模拟输入端口，4路UART串口，16MHz的晶振，USB连接口，电池接口，ICSP头和复位按钮。简单地用USB连接电脑或者用交直流变压器就能使用。整体设计框图如图1所示。

1.1驱动装置的选用

由于螺旋杆的转动需要一个即时停转，要有一定的拖动能力，且在一体机工作时机身的温度较高所以选用步进电机。步进电机驱动电路图如图2所示。

1.2 LCD液晶电路

LCD12864液晶，做为设计的唯一显示部分，为其设计电路图。运用该液晶显示，只需要将RS、RW、E三个口与Arduino单片机相连，再通过编译，即可显示想要的各种效果。

3.按键电路

按键电路是重要的控制电路。4个按键，控制着设备的启动、停止、温度显示和返回界面的功能，集监测与控制为一体。

1.3加热装置

高分子运动形式转变的宏观体现为玻璃化转变，聚乳酸材料这种转变温度约为60摄氏度。聚乳酸材料熔点为160摄氏度。聚乳酸材料的熔点和玻璃化温度使得这种材料具有加工方便，塑形简单的热性能，是一种理想的可生物降解的热塑性FDM打印线材。有实验表明，随着温度的升高，聚乳酸支架材料的拉伸断裂应变和弯曲应力会有一定程度的升高。

电阻丝加热。电阻丝加热的缺点在于热量损耗较大，加热效率不高;优点在于简单方便还便宜。将温度传感器的感知部分放置于送料管内壁，同时接上液晶显示屏，方便随时检测送料管内各处的温度。

2 机械部分

2.1 冷却装置

在PLA材料的冷却成丝的过程中，温度场对于材料产生翘边、变形等影响打印质量的问题有着重要影响，温度变化太过剧烈，会导致材料凝结过快，残存热应力易产生拔丝、分层等现象。

由于挤出口温度在100℃以上才能保证废料液态的顺利挤出，给后来的冷却带来了极大的困扰，目前设想将热水加入风机，让风机将热水吹出，保证其平滑的降温，让其不至于温度骤降导致其开裂变脆。

2.2 漏斗与送料管

漏斗与送料管的设计关系到后期的控制方式的选择，是整个系统中至关重要的一部分。漏斗用盛放废料，其放置必须与地面垂直。将送料管横平放置，漏斗竖直放在送料管上。废料颗粒便不能快速到达送料管终端，在运送过程中能得到充分的熔融。

2.3 挤出模头

国内外学者以仿真手段为主，理论建模和实验为辅研究了流道结构对熔体流动行为的影响，采用优化流道形状，确定流道结构最优参数值的方法，保证熔体在流道中流动的稳定性，提高产品成型的速度。不能打印小于20毫米乘20毫米的小物体，而不引入复杂的几何缝隙。最终选择直径为1.75mm的细圆铁管。

3 软件程序设计

软件设计与仿真均采用linkboy软件。

3.1运动控制

在运动过程中可能会产生气泡。步进电机带动螺杆为直接挤出机，其平稳运动由柔性离合器固定向熔融和变形材料施加压力将其压缩，理论上能消除气泡的形成。编写程序，采用控制步进电机驱动器来控制步进电机。

3.2温度检测与控制

塑料加工过程中产品的性能受到加工方式的影响较大，不同的加工方法对于产品的性能具有决定性影响。常见的塑料加工技术包括挤出、注塑、吹塑、模压等，所有的方法中都会涉及到对料筒的加热过程，使得物料熔融后再进行塑化加工。主要的加热方法包括电线圈加热、流体加热、红外线加热和电磁感应加热等方式。温度过高会导致塑料颗粒在熔化过程中发生炭化，温度过低则又会使熔料流动性差，不易成型，从而产生大量次品，因此温度对塑料制品质量具有非常重要的影响。在运行过程中也许会出现齿轮齿轮滑动的情况，可能的原因有2种：（1） 喷头由于多种原因堵塞从而导致废料无法继续下行;（2） 在较长一段时间里使用导致齿轮磨损加剧，齿轮松动或者两齿轮之间的间距变大使得固定耗材的支撑力减小。编写程序，完成温度检测，同时能够完成温度控制。

3.3控制器初始化

在系统刚刚启动时，在液晶屏幕上显示论文相关信息，2秒后，显示完成，指示灯闪烁5次后，表示初始化完毕。

3.4按键控制系统与液晶显示

按键控制系统由4个按键构成，包括“运行界面”、“返回”、“温度显示”“停止运行”4个按键。如按键名称所示，分别：实现系统运行，并在液晶上显示“正在运行”;返回主菜单界面，供用户使用来实现在液晶上显示温度做准备;温度显示即为按下按键过后，显示3只温敏器件所测温度;停止运行即为控制系统的加热与旋转设备停止工作，等待人员检查修复完毕后方才能继续工作。

3.5创新点及应用

这种小型的家用3D打印所用PLA材料回收再造一体机，解决了桌面级3D打印机在材料方面的浪费，在校园实验室、个人小作坊以及3D打印初学者省下了成本，同时还有利于环境保护。

1.将废弃的PLA材料进行回收，能有效地节约资源、减少废料排放、保护环境。

2.PLA材料回收再造一体机结构简单、成本低、运行稳定、集回收和再造功能于一体。

3.该装置回收方便，热熔、冷却、拉丝快速成型。

4 结论

该回收装置结合机械、电子技术以及计算机技术，通过灵活的步进电机控制，以满足清PLA材料回收的需要。尤其是充分利用PLA材料加热融化的特性，通过调节温度的变化，使材料融化达到一个再回收的效果。该作品将机械、化学材料及计算机技术相结合，是一种效率较高、操作灵活、价格低廉的PLA材料回收装置。PLA材料回收装置可根据不同材料的特性，调节温度的不同，能够适应不同的基础材料。采用两自由度云台结构，能够与行进机构相结合，清洗管道内的任何位置。通过机器人自带的影像数据采集机构，传回电脑上机位将影像显示出来，经过分析后，确定所需清洗区域。

本次设计实现的主要任务如下：

（1）简述了PLA材料回收再造一体机在国内外的基本研究现状，并且说明了本设计的研究意义和PLA材料回收装置未来的发展趋势。

（2）设计材料回收装置的基本结构，特制回收加热管结构，关键机构采用3D打印技术进行零件打造。同时提出了一套以STM32为控制核心，以温度传感器为传输设计，做出了系统硬件配置的具体结构图和原理图。分析并实现了油PLA材料回收装置需要实现的各项需求功能，设计出了油烟管道清洗机器人的各硬件部分。

（3）利用KEIL5编程软件完成油PLA材料回收装置程序的设计编写，从部分到整体，从基本模块调试到最终系统稳定，完成油PLA材料回收装置运行调试。

参考文献

[1]潘刚伟，楊静，孙其松，董震，侯秀良，马博谋，孙建荣.3D打印用聚乳酸的改性及其应用研究进展[J].塑料，2019，48（03）：31-35.

[2]蔡云冰，刘志鹏，张子龙，柯俊沐，刘金玲，陈登龙.聚乳酸材料在3D打印中的研究与应用进展[J].应用化工，2019，48（06）：1463-1468.

[3]王颂，曹永建，李兴伟，马红霞，张桂花，蔡彤彤.木塑复合3D打印耗材制备研究进展[J].林业与环境科学，2019，35（04）：118-122.

作者简介：谭信勇（2002-），男，山东省潍坊人，学士，研究方向：控制工程。

该项目由国家级创新创业训练项目《PLA材料回收再造一体机》（S202113320002）支持。