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【打印虎】用OpenSCAD修改RepRap Prusa i3 3D打印机打印件设计图解

发布时间:2015-02-13 17:17 来源:打印虎 作者: 打印虎 点击: 我要评论 条评论)

玩3D打印机,特别是桌面级3D打印机的朋友都知道,3D打印机里面,有一些关键的部件,是靠3D打印技术设计、制造的。可以说,3D打印机是目前真正深入应用了3D打印技术的产品,让3D打印技术有了一定的用武之地。

最近打印虎希望改造一台自己的RepRap Prusa i3 3D打印机(搭建过程详见【打印虎】零基础自制RepRap Prusa i3图解全攻略),这时候问题就来了。3D打印机中使用的大部分标准零件都比较好办,直接到市场上采购就可以了。用作框架的亚克力板,也可以使用CAD软件进行改进,再利用激光切割机进行切割。如果对亚克力板的改造比较感兴趣,可以参考【打印虎】用QCAD修改RepRap Prusa i3 3D打印机框架设计图解这篇文章。还剩下一类零件,就是采用3D打印技术生产的3D打印件。我们今天要讨论的主要内容,就是如何改进这些3D打印件。

类似于其他的机械零件设计工作,设计、修改、查看Prusa i3的3D打印零件,也需要CAD软件的辅助。同时,Prusa i3 3D打印机是一个开源硬件、软件设计,它不仅为全世界的技术爱好者提供了一个很好的3D打印机设计方案,而且需要吸引开源社区的回馈,贡献力量帮助其发展、壮大。因此,Prusa i3的设计者并没有基于售价昂贵的工业级CAD工具进行开发,而是采用了一个开源、免费的CAD工具,OpenSCAD。

OpenSCAD的官方网址,在http://www.openscad.org/。在官网的页面上,可以看到它的简单介绍。简单来说,OpenSCAD开源、免费,是一个面向机械零件设计的CAD软件。它与其他CAD软件不同点在于它不是一个交互式的CAD建模工具软件,而是采用一种脚本语言定义模型的形状。这样的好处,是用户可以完全控制3D模型的所有参数,并且特别有利于使用源代码管理工具,对3D模型的历史修改进行记录。但也是因为这样的特征,它不适合进行3D艺术类型的创作,如果有这方面的需求,还是应该使用一个交互式的建模工具。

可能大家都没怎么听说过OpenSCAD,更不会使用,这没有关系。我们这篇文章,与打印虎的系列文章采用了同样的思路,就是以我们的一个实际需求为例子,介绍OpenSCAD的使用方法。这样,只要你跟着我们的例子一步一步做下去,就不仅学会了OpenSCAD的基础使用,而且还明白了如何对你的Prusa i3进行改进。从此,不管你对你的3D打印机有任何不满,都可以自己动手不求人了。

做事情的第一步,我们需要准备好工作环境。OpenSCAD软件尺寸不大,只有8M多(打印虎本地下载百度云下载)。下载完成后,按照软件提示进行安装即可。下面的教程,会假定大家已经安装好了这个软件。如果你已经准备好了,我们就要开始对Prusa i3 3D打印件的改造工作了。

在我们开始动手之前,先打个小广告。打印虎日前已经开始销售RepRap Prusa i3 3D打印机套件,如果你自己或周围的朋友对搭建3D打印机感兴趣,不妨选择打印虎。我们提供的元件,经过严格筛选,品质优良。3D打印机的关键部件都做了专门的优化,包括采用了优质步进电机、全铝挤出头、铝基板热床以及改进的梯形丝杆Z轴,让你的3D打印机达到更高的精度,并且经久耐用。不光硬件质量有保障,打印虎还特别提供免费的固件升级服务,从购买之日开始,打印虎承诺每季度一次,至少四次固件升级,给你的3D打印机提供无限助力。另外,打印虎还提供最好的3D打印机技术支持服务,与顾客做朋友,让你没有后顾之忧。如果想了解更多,请访问我们的产品页面http://www.dayinhu.com/products

第一节,需求分析

经过我的仔细研究和多方对比,我最终决定,以Prusa i3的一种改进型Prusa i3 vanilla (网址在https://github.com/josefprusa/Prusa3-vanilla)作为我的工作基础。这组文件,大家既可以从原始网站下载,也可以从本地下载(打印虎本地下载百度云下载)。下载、解压Zip压缩包之后,我们可以看到两个文件夹,一个是distribution(分发用),里面保存了所有完成的.stl文件。想要做3D打印的朋友,直接拿这个打印就可以了。另一个文件夹是src(源代码),里面的一组文件,除了一个.dxf文件(用于激光切割的平面CAD设计)之外,剩下的都是.scad文件。这些.scad文件,就是用于OpenSCAD的源代码了。大家都知道,如果只有.stl文件,虽然是可以打印的,但要改造起来就有难度了。有了.scad文件,对3D打印件的改造就容易多啦。

我把这组.scad文件复制了一份,放到了自己的文件夹中,然后双击x-end-motor.scad,我们来看看Prusa i3中最复杂零件的情况吧。

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双击x-end-motor.scad之后,出现了OpenSCAD的主窗口。窗口分为三个主要的区域。左侧是代码区,展示了正在处理的OpenSCAD脚本代码。我们可以直接在其中对代码进行编辑。右下是信息输出区,所有的OpenSCAD的输出信息,都会列在其中。未来我们会对脚本代码进行修改,如果出了错,会在这个区得到提示。认真研究出错提示,对快速解决问题是很有帮助的。最后,右上角是3D展示区。由于CAD算法很复杂,3D计算需要不少时间,因此不能实时展示用户对代码的修改,程序刚刚启动的时候,是一片空白的状态。

想看到3D效果展示,也不难。这时候,我们按下F6键,就会在提示栏出现一个进度条。等一会,当进度条前进到100%的时候,我们就可以在3D展示区看到完整的零件模型了。这时候,我们可以用鼠标右键拖放对视口进行平移操作,左键拖放对视口进行旋转操作。还可以通过菜单View – Show Axis展示坐标轴。当我们把零件调整到一个合适观察的位置后,我们可以看到窗口变成了这样:

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了解了我们的工作基础之后,就需要看一下我们的目标了。首先还是上图,这是我在完成了所有的修改之后,x-end-motor的样子:

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实际上,打印虎对这个零件做了不少的改进。主要的改进有

(1)Z轴丝杆的安装位,由原来的M5丝杆,改进为梯形丝杆。这个改进增加了Z轴的稳定性,同时安装位要比原来大了不少。

(2)X轴步进电机安装位,从原来的三个螺丝位的不封闭圈,改为了四个螺丝位的封闭圈。同时,为了让顶部很长的悬空部分能够顺利打印,增加了两个支撑板。

(3)给X轴光轴增加了压力释放缝。更加便于X轴光轴的安装。

必须说明的是,这些需求,并不是凭空出现的,而是我在搭建、使用Prusa i3的过程中,由实际的问题引发的。同时,为了解决这些需求,也需要反复试验。虽然我们下面主要讲的都是如何修改OpenSCAD源代码,但你要知道,这些内容只是一项特定的技术,而并不是我的思考问题、解决问题的过程。想要学到更深入的内容,还需要多动手实践,并在实践中勤于思考。

第二节,源代码分析之一,bearing.scad文件

上一节我们已经把对Prusa i3 3D打印机的打印件的修改需求列清楚了,那下面具体该从何入手呢?很明显,想对3D打印机的打印件进行改进,就需要懂一些OpenSCAD。能读懂目前已有的代码,是最基础的一项要求。下面,我们就用x-end-motor.scad这个模型文件作为例子,一条一条语句学习。很快你就会发现,看似晦涩难懂的语句,其实相当容易掌握。

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源代码的第一段,并不是真正的脚本语句,而是一些注释信息。和很多种编程语言类似,注释信息是用两个斜线符号开始的一行。编辑器还很贴心的用绿色字体显示,以示区别。这些注释信息,说明了这个文件的内容、版权信息(GNU GPL v3)、作者以及相关信息的网址。这些内容,对于帮助我们理解源代码,是很有帮助的。接下来,是这样的一行:

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这一段只有一句话,是一条use语句。Use语句的作用,是引入另一个.scad文件。基本上,我们可以认为,就是把另一个.scad文件的全部内容,嵌入到use语句的位置处。既然这里引用了x-end.scad,我们就必须要看一下这个文件了。打开x-end.scad,一看不要紧,开头又是一行use语句。这次,被引用的文件,是bearing.scad。这样,我们要处理的就不是一个文件了,而是三个文件组成的一个文件组:

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这下,我们要先从bearing.scad开始了。深呼吸一口气,打开bearing.scad,并按下F6键计算3D模型之后,可以看到这样的内容(手工调整角度之后):

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容易发现,这其实就是x-end-motor中,垂直的容纳LM8UU轴承的管道。因为与LM8UU轴承的配合,是这套打印件的一项重要内容,因此不论是这样垂直的轴承托架,还是其他零件中使用的水平的轴承托架,都被归纳到了bearing.scad文件中。

我们还是集中于我们的任务,只看bearing.scad文件中与垂直托架相关的部分。其他部分有需要的朋友请自己研究。这样一个简单的零件(部分),首先定义了轴承的外径:

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使用卡尺测量,或者找一下资料,都能够容易得知,LM8UU的外径是15mm。在这里使用常量bearing_diameter表示。

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然后,定义了托架的壁厚3mm,使用常量thinwall表示。那么。这个零件总的直径,就是LM8UU的外径加上两个壁厚,这个常量保存于bearing_size之中。到此为止,都是一些常量定义,很容易懂。下面就要稍微复杂一点了。

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这一段代码,首先使用module定义了一个模块。这个模块的名字叫做vertical_bearing_base。这种模块,类似于编程语言中的函数。这里只是定义,如果后面没有人使用它,是不起任何作用的。那么,这里定义的这个函数,是什么作用呢?

新开启一个空的OpenSCAD,把前面的常量定义,以及这个模块中的一行(cylinder开头的一行),抄写过去,并按下F6键,可以看到:

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这样,我们就知道了,cylinder这一行的作用,就是建立一个高度为58,半径为bearing_size/2的圆柱体。注意图中,这个圆柱体以原点(0, 0, 0)作为底面的中心。$fn的作用,是说明这个圆柱体由多少个平面拟合而成。可以看出,90个平面拟合的圆柱体,已经非常圆了。这里,大家可以任意修改这几个值,看看结果会有什么样的变化,以加深对这条语句的理解。

下面再加入原来模块中的另一语句:

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这条语句,分为了两个部分。有了刚才的经验,就容易理解,后面一部分,就是建立一个立方体。这个立方体的尺寸,X方向是圆柱半径+4,Y方向是圆柱直径,Z方向也就是高度仍是58。最后的center=true参数,说明我们要把这个立方体的中心,放在原点(0, 0, 0)的位置上。

如果只有这部分,很明显圆柱和立方体两个部分是无法匹配的。但最前面的translate语句起了作用。这个语句只对同一行中的cube起作用,具体的作用,是在3D空间中的一个平移。这个平移,使立方体处于了正确的位置上。再配合上圆柱体,可以得到这样的结果:

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很明显,这就是我们所需要的零件的基础了。再取出不需要的部分,就可以得到所需的零件。仍然与前面一样,希望大家调整每一个参数,观察图中所起的变化。这非常有助于我们快速学习和掌握这种建模方法。熟练了之后大家就会发现,这种方法相比于交互式的建模方法,更加精确和可靠。

基础有了,中间的空洞部分如何生成呢?很简单,继续看bearing.scad文件的下一段:

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这里,又定义了另一个模块。这个模块也是两行。我们类似于上面的方法,我们建立一个新的工程,把这常量定义和这两行代码提出来,单独看看:

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仔细阅读一下就会明白,第一行代码,建立了一个高度为62,直径为15的圆柱体。第二行代码,建立了一个细长的立方体,并旋转了一个特定的角度。使用rotate函数,旋转角度的方法,是我们第一次见到。这个函数也很简单,只有一个参数,就是沿着x, y, z轴旋转的角度向量。在这个例子里,立方体沿着Z轴旋转了-70度。两行效果叠加,就形成了图中所示的结果。

看起来虽然已经明白,这第二个模块里面的内容,就是被切除的部分。但具体如何做到了切除,还要继续往下看代码。继续看bearing.scad文件:

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这个文件的最后,是一个difference函数。从名称也可以看出,这个函数完成了我们所需要的“减法”操作。需要注意的是,在difference函数的大括号里面,完成了对以上定义的两个模块的引用。到此为止,垂直轴承托架部分就完成了:

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第三节,源代码分析之二,x-end.scad文件

看完了bearing.scad文件,我们已经得到了一个垂直轴承托架。下面,我们继续第二个文件,x-end.scad。由于X轴步进电机端和X轴惰轮端有很多共同需要用的公共组件,因此设计者把这部分内容抽出来,形成了x-end.scad文件。这个文件,经过3D渲染之后的样子,是这样的:

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可以看出,这里包含了除了固定步进电机的部分的X轴步进电机端的所有部分了。下面我们就开始分析这个源代码文件。分析的方法与上一节类似,我们会把每个模块、每一行单独取出来,观察它的作用效果,就可以知道这一行的作用和意义了。因为我们已经有了些基础的经验,所以这一节我们会加快一些速度进行介绍。

首先是x_end_base模块。在观察这个模块的工作方式时,我们不仅需要在一个空白的.scad文件中先定义好常量,而且还需要把bearing.scad中预定义的两个模块,也一起复制进来。最后,放入x_end_base模块中的内容:

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可以看出,这里先调用cube函数,定义了一个大的高度为58的立方体,再调用预定义的vertical_bearing_base模块,加入垂直方向的轴承托架的基础部分。然后,使用cube函数和cylinder函数,完成下方的Z轴丝杆固定装置的基础定义。

这里需要注意的是,cylinder函数出现了不同的用法。这个函数除了能够定义“圆柱”之外,还能再$fn取6的时候,方便地定义六边形。

这样,通过组合一系列简单的3D几何形状,我们就得到了这个零件的基础。与上一节的方法类似,这里同样是要靠difference函数,来实现零件内部形状的切除。

下面的模块x_end_holes比较长。它整体都是在做零件内部形状的定义。为了清晰,我们把这个模块的内部再分成几个部分,单独讲解。首先,第一行很简单,就是调用了预先定义的vertical_bearing_holes()函数,把垂直方向的轴承托架内部形状定义出来:

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这部分之前我们已经测试过了,就不再次测试了。下面一段,需要整体处理。这一段定义了同步带运行所需的空间。包括主体的方形孔、主方形孔四个角的倒角以及为了释放压力所添加的缝隙。如下图所示:

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这里需要注意的是,这段代码,包括了一个difference函数,用于四个倒角的处理。再想到这段代码本身,就是在定义一个孔洞,因此未来将会被包含在另一个difference函数中。这清晰的说明了,difference函数是可以嵌套使用的。

再下面一端,定义了两根光杆的插孔位置,已经Z轴丝杆螺母的镶嵌位置。光杆的插孔,一方面为了缓解精度问题,另一方面为了让打印效果更理想,在圆柱的上方,增加了一个梯形台面。这样,也让原本简单的代码,发展成了另一个模块,pushfit_rod模块。这个模块我们就不再详细讲解了,相信有了之前的经验,大家都能够自行看懂了。

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到这里,大家可以发现,所有的代码,基本都是几种简单的几何形体,加上平移或者旋转,再加上一个difference“减法”函数,组合而成的。只要有耐心,足够细心,再加上准确的数字,不管有没有编程经验,大家都可以充分理解这种脚本语言。

这样,所有的内容都准备好了之后,再加上一个大的difference函数,执行基础部分和孔洞部分的“减法”,我们就得到了x-end.scad脚本执行的最终结果。

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第四节,源代码分析之三,x-end-motor.scad文件

看到这里,我们已经完全了解x-end-motor.scad所依赖的两个源文件,bearing.scad以及x-end.scad的内容与渲染结果了。现在,只剩下主文件,x-end-motor.scad等待着我们。在这个文件中,原本完全不能理解的代码,现在也已经变得可以阅读了。

首先,还是一个模块,定义了整个X轴步进电机端零件的基础。这个基础是在已经定义的模块x_end_base的基础上,再加上一个大的立方体得到的。

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与之前的方法类似,打开一个新的OpenSCAD窗口,把所需的常量定义、模块定义都准备好(注意这次我使用了use语句,避免杂乱的代码过多),然后独立执行这个模块,可以得到这样一个渲染结果:

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还是与之前的情况类似,下面是一个大的模块,定义了如何从已有的基础3D对象上切除一部分,以得到我们希望的结果。我们一部分一部分来。

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首先使用在x-end.scad文件中已经定义好的模块,切除除了右侧步进电机位之外的部分。单独使用这个模块,会得到这样的结果:

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然后的一大段代码,都被一个translate函数所包围了。我们把这一大段代码的每一部分单独挑出来,配合上translate函数,看看执行的效果如何。

第一段仍然是用于穿过同步带的空间。这部分没有另一侧精致,只是一个立方体,不带四个角的倒角了。

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接下来是四个螺丝孔位。这段代码看起来虽然很长,但其实内容很简单,每个螺丝孔位是两个圆柱,重复了四次,得到了四个螺丝孔位。

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再往下是两个巨大的立方体,切除了步进电机槽位的右上角和右下角。

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最后,是一个大的六边形柱体,切除了步进电机的轴位。

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以上的所有内容,拼合在一切,经过适当“加法”和“减法”,最终得到了我们所需的零件3D模型,如下图所示:

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到这里,虽然我们还没能完全掌握OpenSCAD的使用,但最基础的部分,以及其中所蕴含的方法,应该已经比较熟悉了。如果想比较系统的学习,也很容易,只要点击菜单上的Help – Documentation,就可以到达OpenSCAD的官方文档网站,那里有完整的相关资料。

除了OpenSCAD的技术之外,我们也已经把一直在研究的这个Prusa i3 3D打印机零件x-end-motor.scad的设计搞清楚了。下面,我们要根据自己的需求,对它进行一些修改。

第五节,源代码修改

在前面几节,我们学会了基础的OpenSCAD脚本语言,已经可以读懂现有的X轴步进电机端建模脚本文件x-end-motor.scad了。现在,可以再回头看一下第一节中列出的需求,下面我们要逐一解决它们了。

首先是需求(1),关于Z轴丝杆安装位的问题。现有的位置,是供嵌入一个M5螺母的大小。这个位置,对于下图所示的梯形丝杆螺母来说,确实是太小了。因此,我们首先需要扩大这个位置。

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经过试验,我发现对于x-end.scad部件底部的六边形螺母固定基座,要从原来的8mm半径,变为13mm半径。同时,要把这个部件的中心,向远离垂直轴承安装管的方向移动3mm。这样,Z轴相邻的两根杆(一根光杆,一根梯形丝杆)之间的距离,由17mm变为20mm。按下F6键重新渲染之后,可以得到如下图的结果。

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很明显,其他几个相关的部件,也需要相应的调整才行。这个调整也不复杂,如下图所示,先把零件主体立方体和梯形螺母固定基座的立方体两个地方,调整长度,配合已经调整了位置和大小的梯形螺母固定基座六边形。

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然后,把现有的六边形M5螺母嵌入位置去掉,改为用于梯形螺母的嵌入位,如图:

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这时候,出现了一个问题,就是四个M3螺丝孔,其中两个靠近零件主体的螺丝孔被挡住了一点点。这样别说螺丝的头部没有地方安装,就连螺丝杆都不一定能钻过去。但是,如果再修改梯形螺杆的X方向坐标,还要联动修改整个机器架构,未免显得太过于麻烦。不如就再扩大一些螺丝的安装位置算了。

基于这样的思路,我又补上了两个圆台,一个立方体,把用于安装螺丝的位置空了出来。如下图所示:

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到此位置,我的需求(1),关于Z轴丝杆安装位的问题已经得到了解决。当然,由于梯形丝杆和光杆之间的距离加大了3mm,必须同时修改亚克力板的相应设计才可以。这点请模仿我修改设计的朋友不要忘记了。

关于需求(2),X轴步进电机安装位的问题,会更加简单一点。由于这个需求,并不是一个功能性需求,而仅仅是为了美观的考虑,因此,不设计到任何限制尺寸方面的调整。同时,所有修改的内容都位于x-end-motor.scad文件中。

还是一步一步来做。首先,在x-end-motor.scad文件中,注释掉对模型右上角的切除语句。结果如下图所示:

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然后,把步进电机轴轴位切除口,由原来的一个简单的六边形,变为一个更美观的鼓型。这里,我们使用了一个前面没有介绍过的intersection函数。这个函数的作用,是求两个或多个立体几何形状的交集。我们这里使用的鼓型,就是一个立方体和两个圆柱体的交集。如果想知道更具体的细节,大家可以参考文档,或是按照我们前面介绍过的方法,把语句单独提出来渲染,观察它们独立的形状。

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再接下来,我们还使用一个立方体和一个圆柱的difference函数,调整了右上角的形状,去除了原始的直角,让它变成了一个更加优雅的弧形。

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在我把X轴步进电机位置修改成这样之后,就发现它在设计上确实变得美观了一点,但3D打印过程中,会造成一个超长的过桥动作,导致打印效果很差。为了解决这个问题,我在建模阶段,增加了两个用于支撑的平板,既节省材料,又让顶部的过桥距离大大缩短,只有原来的三分之一了。这样再尝试打印,首先过桥的地方完全没有了问题。同时,这个支撑非常容易去除,只要用手轻轻一掰,就可以在根部断掉。这样,我们就得到了让人满意的近乎完美的结果。

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最后要解决的是需求(3),给X轴光轴增加了压力释放缝。

对于这个问题,我们要再回到x-end.scad文件。在上下两个光杆的构造代码后,需要再增加两个细长的立方体,就可以解决这个问题了。如图:

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这里需要补充说明一点的是,这个缝隙的大小,也是经过了几次试验最终得到的。它既不能太大从而导致光杆安装松懈,又不能过小导致打印后实际粘在了一起。同时,为了使光杆能够真正顺利安装,打印虎还有一个建议,就是使用8毫米的钻头,对已经成型的打印件进行清理操作。我们的实践证明,使用钻头是非常有效的方法。

第六节,结束语

到此为止,我们所有的工作都已经完成。如果你是跟着虎哥我一步一步做到这里的,那现在你应该已经初步掌握OpenSCAD的使用方法了。相信在这个基础上,再经过简单查阅OpenSCAD帮助文档,各种复杂的3D机械零件建模都难不住你了。

当然,我们这篇教程,只具体介绍了一个3D零件的修改方法(虽然是最复杂的一个)。如果你想要所有经过打印虎修改的Prusa i3 3D打印机打印件模型文件,可以从这里下载(打印虎本地下载百度云下载)。受到开源精神的鼓舞,我们非常乐于见到大家在我们工作的基础上继续改进。

回顾一下,我们这篇教程中所需的文件都包括:

文件名 描述
OpenSCAD-2014.03-x86-32-Installer.exe Open SCAD安装程序
Prusa3-vanilla-master.zip Prusa i3 vanilla版,本教程参考的基础文件
Prusa-i3-dayinhu-scad.zip 经过打印虎修改的Prusa i3 .scad框架设计文件

所有的这些软件包,都可以在这里下载到(打印虎本地下载百度云下载)。如果有的朋友觉得自己弄还是太麻烦,希望直接购买到一套,那么打印虎也可以提供。只要到打印虎网站上的产品页面上购买就可以了。

最后,祝大家玩机愉快,每天都有好心情。有任何关于文章的问题,请

联系打印虎 QQ2404959972

(责任编辑:admin)
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