摘 要：本文介紹了3D打印機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)。以一種工藝為例論述了3D打印機(jī)的軟硬件技術(shù)體系架構(gòu)，并詳細(xì)介紹了3D打印機(jī)各組成部分的功能以及各部分之間的接口關(guān)系，并介紹了3D打印的工作流程。

關(guān)鍵詞：3D打??；體系結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：TP334.8

3D打印就是指通過可以“打印”出真實(shí)物體的3D打印機(jī)，采用分層加工、迭加成形的方式逐層增加材料來最終制造出立體實(shí)物。也就是軟件通過電腦輔助設(shè)計(jì)技術(shù)完成一系列數(shù)字切片，并將這些切片的信息傳送到3D打印機(jī)控制器上，而3D打印機(jī)會(huì)利用原材料將連續(xù)的薄型層面逐層堆疊起來，直到一個(gè)固態(tài)物體成型。由于具體堆疊的形式有多種多樣，因此產(chǎn)生了多種3D打印工藝，每種工藝能夠打印的材料類型也不相同，如常見的有SLA（激光固化光敏樹脂成型）、FDM（熔融擠壓堆積成型）、3DP（三維噴涂粘結(jié)成型）、SLS（選擇性激光燒結(jié)成型）、Ployjet（噴墨成型）等。

3D打印技術(shù)能大幅度降低一次性原型造價(jià)，縮短設(shè)計(jì)改進(jìn)的過程。3D打印技術(shù)可實(shí)現(xiàn)用傳統(tǒng)方法很難實(shí)現(xiàn)的工藝，如在堅(jiān)固的金屬結(jié)構(gòu)中把尖形拐角做成弧形等。利用3D印制技術(shù)大幅減輕零部件的重量，提高材料利用率，從而提升產(chǎn)品性能并降低產(chǎn)品造價(jià)。本文針對(duì)以熔融沉積造型技術(shù)（Fused Deposition Modeling， FDM）原理建構(gòu)的3D打印機(jī)，對(duì)其基本系統(tǒng)架構(gòu)和工作流程進(jìn)行研究。

1 FDM工藝基本原理

3D打印的基本原理是逐層打印，一般要與CAD軟件相配合，在接收CAD的信息后，控制器將其翻譯成3D打印機(jī)空間能識(shí)別的三維信息，然后進(jìn)行分層，得到每層的二維信息。接下來不同的打印機(jī)原理不同，但基本都是先打出第一層材料，燒結(jié)（或用激光加熱使其凝結(jié)），在第一層材料上抹上黏合劑，然后再在第一層材料上打第二層材料，直到打完所有的層數(shù)，形成3D樣品。FDM技術(shù)的基本原理是打印頭加熱，把條形塑料加熱軟化。FDM工藝的關(guān)鍵是保持半流動(dòng)成型材料剛好在熔點(diǎn)之上（通常控制在比熔點(diǎn)高1℃左右）。FDM噴頭受CAD分層數(shù)據(jù)控制使半流動(dòng)狀態(tài)的熔絲材料從噴頭中擠壓出來，凝固形成輪廓形狀的薄層。每層厚度范圍在0.025～0.762mm，一層疊一層最后形成整個(gè)零件模型。FDM工藝使用的原材料為熱塑性材料，如ABS、PC、PLA等，以絲狀供料。

2 3D打印機(jī)體系架構(gòu)

基于FDM工藝的3D打印機(jī)從控制結(jié)構(gòu)上看，分上位機(jī)和底層控制兩層，上位機(jī)主要運(yùn)行三維設(shè)計(jì)軟件、切片軟件、打印控制軟件等。底層控制包括嵌入式微控制器、主板、步進(jìn)電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、限位開關(guān)、熱塑材料擠出機(jī)、打印平臺(tái)、溫度傳感器等。如圖所示。

上位機(jī)可以是筆記本或PC機(jī)，三維設(shè)計(jì)軟件，切片軟件，控制程序都運(yùn)行在上位機(jī)上面。底層控制主要負(fù)責(zé)打印的執(zhí)行，控制器主板連接3D打印機(jī)所需要的所有不同的硬件到微控制器。主板需要特別的能承受大負(fù)載的轉(zhuǎn)換硬件，以便轉(zhuǎn)換到打印平臺(tái)和擠出器加熱端的高電流環(huán)境。主板要能讀入溫度傳感器的輸入信號(hào)，也要能從大電流電源生成整個(gè)系統(tǒng)的能源集線器。主板與每個(gè)軸的限位開關(guān)進(jìn)行交互，并把打印頭在打印前精準(zhǔn)定位。微控制器可以和主板集成在一起也可以分離開來，它可以讀取并解析溫度傳感器、限位開關(guān)等傳感器，也可以通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制電機(jī)，并轉(zhuǎn)換到高負(fù)載通過MOSFETs晶體管電路。微控制器用分離的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器來控制電機(jī)。微控制器用Arduino開源硬件作為基礎(chǔ)部件。電源采用的ATX電源等進(jìn)行供電應(yīng)，電壓在12-24V，電流在8A以上，整個(gè)打印機(jī)的最大消耗電源部件是擠出器和打印平臺(tái)。

3 3D打印工作流程及各部件關(guān)系

在如圖2所示的控制結(jié)構(gòu)下，3D打印機(jī)的工作流程如圖2所示。3D模型的構(gòu)建及模型的檢查與修改器由三維設(shè)計(jì)軟件來實(shí)現(xiàn)，模型的切片及計(jì)算刀具路徑由切片軟件來實(shí)現(xiàn)，控制底層固件打印由控制程序來實(shí)現(xiàn)。整個(gè)過程從3D模型開始，它是STL格式的，該模型須適應(yīng)3D打印機(jī)的尺寸。控制程序獲取3D模型，并把它送給切片程序。切片器程序把3維模型切分成適合于3D打印的切片。這個(gè)過程生成告訴3D打印機(jī)把擠出器移動(dòng)到哪、何時(shí)擠出、擠出多少的G代碼。這些G代碼被打印機(jī)控制軟件發(fā)送給微控制器上的固件，固件是裝載在微控制器的特殊的程序代碼，它負(fù)責(zé)解析從打印機(jī)控制程序發(fā)來的G代碼命令，控制所有的電器元件（包括步進(jìn)電機(jī)和加熱器）。固件根據(jù)從控制程序發(fā)來的指令來建造3D模型，并把溫度、位置和其他信息發(fā)送給控制程序。

4 結(jié)束語

根據(jù)3D打印機(jī)體系及工作流程，我們可以搭建桌面3D打印機(jī)，驗(yàn)證3D打印機(jī)的工作原理，掌握3D打印機(jī)各組成部分之間的接口關(guān)系，為研制更大尺寸和更高精度的3D打印機(jī)打下堅(jiān)實(shí)的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。

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作者簡(jiǎn)介：崔萬瑞（1973.02-），男，吉林德惠人，副主任，高級(jí)工程師，碩士，研究方向：數(shù)字化制造。

作者單位：長(zhǎng)春設(shè)備工藝研究所，長(zhǎng)春 130012