CNC Router Parts-based metal printers SOP/CNC雕刻机零件金属打印机标准操作程序

▼密歇根理工大学开放式可持续发展技术实验室

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进入 329 室之前必须进行安全检查。安全培训对于实验室的持续使用至关重要，也是实验室主管批准进入实验室之前，该部门的一项要求。

在确保任何人具备基本的知识水平之前，不能信任他们使用实验室设备。

1. 329 安全培训 - 危险
2. MSE部门安全培训
3. 气瓶安全培训
4. 焊接安全培训

个人防护装备是为了保护您自身的安全，让您能够继续做自己想做的事情。

1. 安全眼镜——始终需要
2. 焊接头盔——仅当不使用帆布罩时才需要。
3. 绿色外套——仅在未使用帆布罩时需要。
4. 强烈建议穿钢头鞋
5. 建议穿着天然纤维服装。

了解实验室中含有哪些化学品以及它们之间的相互作用，对于发生事故至关重要。

1. 相关安全数据表（SDS）应在线查看。
2. 请注意实验室门上列出的危险警示。如果您引入任何新设备或材料，必须事先向实验室门上列出的负责人报备。如果负责人信息已过期，请联系系主任更新。

对于已知系统，打印参数可能已经设定好；而对于其他应用，则可能需要根据具体情况进行调整。以下重点介绍一些关键问题：

1. 打印参数相互关联，难以优化。目前，最佳指导原则是保持声音和光线强度的一致性，并尽可能确保打印过程的均匀性。表1列出了一些示例参数。
2. 目前，该数控打印机仅针对铝合金进行了校准——具体来说是4047和6061。其他铝合金可参考以下参数，但需要进行调整。

• 表 1：金属增材制造建议打印参数
• 测试参数量/单位范围
• 焊机电源输入 (P) 14.5 V 14-18.5 V
• G代码层高（LH）1.25毫米 1-3.5毫米
• G代码线宽（LW）2毫米 1.5-4毫米
• G代码行驶速度（TS）30毫米/秒 10-50毫米/秒
• 尖端间距 (SO) 9 毫米 6 - 16 毫米
• 喷嘴几何形状 (NG) MIG（直径 14 毫米） 直径 8 - 16 毫米（聚乙烯）
• 送丝速度 (WFR) 5.25 毫米/毫米* 3.5-7.25 毫米/毫米*
• 气体流量（GFR）40 CFH 25-60 CFH
• 水库温度（WT）23°C 13-25°C
• 基板厚度（ST）2.4 毫米 1.6 – 6.2 毫米
• 线径（WD）0.8 毫米 0.8 – 0.9 毫米
• EM透镜电流(LC)待定 0 – 1.5 A

1. 焊机功率输出(P)

• 焊机的功率输出必须足够高，才能持续熔化电机送入的所有焊丝，并保持稳定的等离子弧。
• 过大的功率输出可能导致基材烧穿、零件尺寸严重损失、孔隙、喷嘴堵塞和打印失败。
• 低功率输出可能导致熔合不足、出现线性缺陷/裂纹，以及金属沉积中断/不一致。

1. 尖端间距（SO）

• 喷嘴与下方基材或部件之间的距离（以毫米为单位）称为喷嘴间距。该值在 Franklin 软件中初始设置时通过归零来调整，但为了获得可靠的打印效果，打印过程中每一层的喷嘴间距都必须保持一致。

1. G代码层高(LH)

• G代码的层高必须在经过一些初步测试并确定可行的参数后才能设置。这是因为随着层数的增加，焊丝与工件之间的距离（焊丝与工件之间的距离）需要保持一致。层重熔的程度也需要考虑，因为它会影响整个打印过程中的高度变化，而这种变化必须在打印过程中加以考虑。该值可以直接在G代码中设置，也可以在Cura软件中设置。

1. G代码线宽(LW)

• 在 Cura 中输入的线宽应约为单线测试试验确定的焊缝宽度的 60-75%。在此尺寸下，应形成相对平坦的表面，任何较大且明显的凹凸不平都会形成。预计周围一定程度的沉积物会熔化以进行粘合。该值可以直接在 G 代码中设置，也可以在 Cura 中设置。

1. G代码行驶速度(TS)

• 在G代码中，行进速度用F开头，后跟一个数字来表示。例如，F1800表示速度为30mm/s。TS（行进速度）对于建立具有良好气体覆盖效率的稳定等离子弧至关重要，它与功率输出、质量流量和气体流量密切相关。

1. 喷嘴几何形状（NG）

• 对于标准金属惰性气体保护焊枪喷嘴，其直径为 14 毫米。结合喷嘴与焊枪的距离和气体流量，可实现有效的气体覆盖，从而防止污染并减少飞溅和/或污渍。除非使用聚合物喷嘴来测试几何形状的影响，否则该值保持不变。

1. 送丝速度（WFR）

• 送丝速度是指G代码中引用的挤出量乘以Franklin软件中的“线材”值。最好在G代码中尽可能接近1毫米/1毫米的比例，以便在Franklin软件中轻松修改挤出量进行测试。送丝速度（WFR）与挤出量（P）和挤出强度（TS）组合存在一个理想值，在该值下可实现稳定且无缺陷的沉积。过高的送丝速度会导致短路和喷嘴堵塞，而过低的送丝速度则会导致焊球和沉积不良。

1. 气体流量（GFR）

• 所用气瓶压力表单位为 CFH（立方英尺/小时）。设定值取决于行驶速度和喷嘴距离，并考虑喷嘴直径。行驶速度越快，所需气体量越大；喷嘴距离越远，为达到相同的气体覆盖效率，所需气体量也越大。

1. 水库温度（WT）

• 水温控制着铜冷却板的静止温度。该温度值不宜过低（低于 16℃），否则铜冷却板上会出现冷凝现象。该温度值仅在冷却器运行时才有意义。如果冷却器正在运行，则部件冷却速度会显著加快，从而导致材料性能发生很大变化。

1. 基板厚度（ST）

• 基板厚度对P和TS参数以及产生的残余应力都至关重要。较厚的基板可以承受更高的功率水平，同时防止烧穿，并能容纳残余应力的积累。

1. 线径（WD）

• 更细的焊丝可以降低焊机的功率输入，提高焊接速度，同时保持更稳定的等离子弧。更细的焊丝意味着更低的输入热量，同时也意味着对基材的熔深更小，减少了先前熔化材料的再熔化。

1. EM透镜电流(LC)

• EM透镜目前仍在研发中，但有望替代打印喷嘴。它能聚焦等离子弧，提高功率密度。通过搅拌熔池，可以降低孔隙率，提高溶质均匀性。

1. 气瓶

煤气罐使用不当很危险，应小心谨慎地处理。

• 一般而言，铝箔印刷应使用纯度至少为 99.995% 的氩气，以确保氧气污染最小化。
• 确保将合适的燃气罐连接到所选的焊机上。
• 更换油箱：
  • 使用活动扳手将调节器从当前油箱上拆下，然后拧到目标油箱上。务必使用活动扳手拧紧调节器，以确保没有气体泄漏。
  • 请记住，不使用的气罐必须盖上安全盖，并确保其固定在合适的墙壁支架上。切勿将气罐存放在运输推车上。
  • 注意从气瓶到焊机的气体管路——将其移离走道，并消除任何可能减少气体流量或损坏管路的弯折。

1. 通风橱控制

某些合金/材料组合可能会产生危险的烟雾，如果不确定，请使用通风橱保护自己和实验室中的其他人。

• 使用通风橱时，应打开照明开关。
• 除非进行维修或改装，打印机必须始终放置在通风橱内。打印过程中，气流必须始终保持开启状态。

1. 焊机设置

目前，Millermatic 215 用于这种金属气体弧焊工艺。

• 在进行下一步操作之前，请确保焊机已关闭。
• 使用前，请检查扳机、气体管路、电极和接地线，确保它们安全可靠，不会在焊机通电后立即接合。
• 使用前，应将焊丝从任何接地表面剪断，以消除电路闭合（短路）和电弧的风险。
• 气体管路应连接到焊机的后部，电极应连接到线材挤出组件，接地线应连接到打印机的基板上。
• 确保焊枪电极已正确连接到焊机主机上。
• 将焊枪扳机插头（4线连接器）插入焊机的相应插座并拧紧。
• 找到连接拨动开关和喷枪扳机插头的电线旁的触发开关，并将其放置在打印过程中易于操作的位置。

1. 传感器电路检查

该传感器电路能够收集数据，以改进打印过程。

• 本节尚未完成，最终会将“弧光分析仪”电路和传感器整合到数据采集过程中。每个传感器将在后续章节中进行详细介绍。为了生成相应的图表，我们将参考 Arduino IDE、Jupyter（Python）和 R Studio（R）代码。

1. 水冷却检查

冷却器有助于对印刷过程的温度进行一定程度的控制。

• 检查从冷却器到铜制冷却板的水管，查看是否有积水或冷凝水。
• 确保将控制水流方向的阀门转到用于实验的打印机方向。

进入实验室之前，请完成以下数字化准备工作。

确定测试/项目的最终目标，以确保该过程朝着这些目标努力。

1. 检查库存，确保其包含零件所需的理想线材合金和基材合金成分。
2. 考虑所需零件的材料特性和尺寸要求。
3. 如果正在研发一种新型合金，应找到可比拟的体系并研究其焊接特性。这将有助于及早调整焊接参数并预测潜在问题。

G代码是打印机用来理解你想要它做什么的指令列表。

1. 对于复杂的设计，应使用开源软件 Cura 生成 G 代码（https://ultimaker.com/software/ultimaker-cura）。Cura有许多参数，其中最重要的包括：移动速度、线宽、层高和挤出量。
2. 或者，如果需要简单的几何图形，可以使用记事本生成 G 代码，其中包含简单的 G 代码 G0 X0 Y0 Z0、F、E 和 G4 命令。
3. G 代码准备就绪后，可以通过简单的浏览和选择方法将其上传到 Franklin，即运行打印机的固件。
4. 下面展示了一些G代码示例，您可以在线查找特定功能的命令，并根据需要添加。M42 P6 S255 或 S0 线用于切换与焊机启动电路相连的特定继电器，因此在任何多层焊接图纸中都是必需的。

• 图 1：用于打印长度为 100 毫米的单线的示例 G 代码，附有说明注释
• 图 2：用于打印双层 40 x 40 毫米方块、线宽 2 毫米的 G 代码示例

操作的一致性是获得可靠结果的关键。

1. 对于铝材打印，建议使用的基材为 6061 铝合金（正在研究 T6 或退火处理），厚度（Z 方向）为 2.4 至 3.2 毫米，尺寸（XY 方向）为 150 x 150 毫米。选择合适的基材。
2. 收到的基材表面会积聚氧化层和切削液残留物，必须将其去除才能实现有效的电气和热接触。为此，需要使用圆带砂光机打磨基材的两面，直至获得光亮的表面。
3. 将基板放在铜冷却板上，并将窗框叠放在基板上，使其与铜板上钻的至少 3 个孔对齐。
4. 将接地电缆插入与基板相同的平面上，使其与基板物理接触。
5. 用手拧螺丝将窗框固定在基材上，共三个接触点。

1. 打开打印台上的电源插座，即可启动打印机。这将为打印机、传感器电路和运行打印机的笔记本电脑供电。
2. 运行打印机的笔记本电脑使用 Linux 系统，用户名/密码为 reprap/reprap。
3. 登录笔记本电脑后，如有必要，可通过U盘传输打印所需的G代码，然后打开浏览器窗口。该浏览器已修改为以打印机访问终端为主页，如图3所示。

• TBA 图 3：标称 Franklin 接口。

1. 浏览按钮用于上传G代码供Franklin程序读取。一次只能上传一个文件，因为Franklin程序处理多个文件时可能会出现问题。
2. 打印机通电后，喷嘴的当前位置设置为 XYZ 坐标系中的 0,0,0 位置。
3. 使用 XY 位置框主动移动喷嘴，并将其定位到 XY 平面上的所需起始位置。
4. 喷嘴就位后，将 XY 值转移到目标框中，这将对 G 代码值应用附加修改器，使打印从该位置开始。
5. 确保喷嘴处没有多余的导线，然后缓慢降低 Z 轴目标位置框，直到喷嘴轻轻接触基板（可以用一张纸轻轻辅助）。然后将 Z 轴目标值增加设定的距离。

• 将“导线”框的值更改为 0.01，将目标 Z 值增加 10，将焊机电路触发器切换到关闭位置，然后单击“运行选定作业”按钮进行空焊测试。如果测试成功且结果令人满意，请重置这些值。

1. 打印机和G代码应准备就绪，并完成一次空运行。切勿在未成功完成空运行的情况下启动打印机，否则可能会损坏系统（例如，喷枪或打印组件撞击工作台）。
2. 输入“线材”的适当倍数值，以达到所需的挤出速率。
3. 用富兰克林钳挤压导线，将导线伸出长度设置为约 2-3 毫米。这一点很重要，可以防止导线在点火过程中卡在钳口内。
4. 按下中止和主页按钮，以重置线材挤出值并准备 Franklin 固件进行测试。
5. 将气瓶旋转至所需的气体流量。
6. 如果需要，可以打开冷却器。
7. 打开焊机电源，并确认功率设置是否合适。
8. 将焊机电路触发器切换到开启状态。
9. 打开通风柜气流
10. 按下运行所选作业按钮开始测试。
11. 如果需要，可以更改目标 XY 值来修改同一基板上连续测试的起始位置。

1. 去除基材
2. 关闭燃气
3. 关闭通风橱
4. 关灯
5. 关闭传感器设备
6. 关闭焊机
7. 关闭数控打印机