孫偉　卜凡　張子凱　丁學(xué)文　楊斐

摘 要：面對(duì)進(jìn)口3D打印機(jī)價(jià)格過高，操作困難而不利于打印機(jī)技術(shù)推廣的現(xiàn)狀，本文在對(duì)3d打印機(jī)原理研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種基于嵌入式三維打印機(jī)。本設(shè)計(jì)由打印機(jī)主體機(jī)、打印機(jī)軟件控制系統(tǒng)、控制軟件組成。其中打印機(jī)主體機(jī)通過接收，打印機(jī)控制系統(tǒng)通過WiFi模塊接收并處理控制切片軟件發(fā)過來的gcode文件，控制電機(jī)方向進(jìn)行打印操作；控制軟件對(duì)打印機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，能夠了解打印機(jī)運(yùn)行狀態(tài)并調(diào)整打印機(jī)運(yùn)行參數(shù)。本設(shè)計(jì)利用鋁材料在原有固定xyz結(jié)構(gòu)打印機(jī)基礎(chǔ)上，對(duì) x軸、y軸、z軸的運(yùn)動(dòng)板塊進(jìn)行了改進(jìn)，同時(shí)對(duì)擠出機(jī)，熱床的組成進(jìn)行改進(jìn)。實(shí)際測(cè)試效果表明，本設(shè)計(jì)具有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)穩(wěn)固、上機(jī)軟件控制操作簡(jiǎn)單、使用便捷和價(jià)格制造低廉等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：3D打??；便捷；價(jià)格低廉；操作簡(jiǎn)單

中圖分類號(hào)：TP316 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

3D打印技術(shù)是新興制造技術(shù)，在新興制造產(chǎn)業(yè)為比較突出的技術(shù)。在國(guó)外3D打印技術(shù)沖擊國(guó)內(nèi)技術(shù)達(dá)不到的狀況下，進(jìn)口的3D打印機(jī)價(jià)格偏高成為必然現(xiàn)象。為了制作價(jià)格低廉、操作簡(jiǎn)便、穩(wěn)定性強(qiáng)的打印機(jī)，讓3D打印技術(shù)更快普及于國(guó)內(nèi)，現(xiàn)設(shè)計(jì)一款嵌入式開源平臺(tái)打印機(jī)。

3D打印立即成型技術(shù)有以下幾種：立體光刻成型、選擇性激光成型、熔絲堆積成型和疊層實(shí)體制造法。本設(shè)計(jì)采用熔絲堆積成型的方式，這種打印方式成本低，軟件開源，學(xué)習(xí)簡(jiǎn)單，受到許多人的喜愛。這種3D打印方式注重的是設(shè)計(jì)和創(chuàng)新相結(jié)合，設(shè)計(jì)完成打印出來就是產(chǎn)品。這種加工方式與傳統(tǒng)制造業(yè)產(chǎn)品加工相比，大大提高了制造效率，縮短了制造周期。本設(shè)計(jì)利用鋁材作為主要材料，減少了機(jī)械抖動(dòng)。操作方式變得簡(jiǎn)便，電腦上位機(jī)都可以對(duì)其進(jìn)行指令的發(fā)送。本設(shè)計(jì)采用開源設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，擁有制造成本低、工作效率高、穩(wěn)定性強(qiáng)和操作簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。

1 三維打印機(jī)原理及主體機(jī)設(shè)計(jì)

1.1 基本工作原理

本設(shè)計(jì)利用熔絲堆積成型的方法，以模型轉(zhuǎn)變?yōu)榭勺R(shí)別的數(shù)字信號(hào)模型為基礎(chǔ)，由復(fù)雜簡(jiǎn)單化的過程，將三維模型變成二維圖片化平面，然后進(jìn)行平面打印，一個(gè)一個(gè)打印平面疊加成為三維立體模型。打印完一層后緊接著打印第二層，每一層都疊加起來直至打印模型完成。本設(shè)計(jì)利用PLA材料熔點(diǎn)低能快速凝固成型的特點(diǎn)，通過擠出機(jī)控制絲量多少，送進(jìn)加熱頭進(jìn)行加熱，擠出機(jī)通過擠出輪進(jìn)行進(jìn)料將已經(jīng)融化的材料擠出，最后堆積成為設(shè)計(jì)模型產(chǎn)品。

整個(gè)3D打印機(jī)控制與操作系統(tǒng)分為硬件控制部分與軟件信息處理控制部分，軟件信息處理控制分為打印模型的設(shè)計(jì)，切片軟件設(shè)置。硬件控制部分分為收到控制部分的信息處理，操控打印機(jī)主機(jī)部分進(jìn)行工作，最后出來產(chǎn)品。操控系統(tǒng)的流程大致分為以下過程：

3D模型的設(shè)計(jì)是打印過程中必不可少的一部分，3D模型的設(shè)計(jì)一般采用常見的3D模型進(jìn)行設(shè)計(jì)。常見的3D模型設(shè)計(jì)軟件有3d max、AutoCAD、UG等等，所設(shè)計(jì)的模型要將保存的格式設(shè)為stl、sla，設(shè)計(jì)完成后對(duì)制作的模型進(jìn)行初步的識(shí)別，設(shè)計(jì)尺寸不合格的要進(jìn)行第二次修改大小的工作。設(shè)計(jì)模型要在打印范圍內(nèi)，不然會(huì)出現(xiàn)打印不完整的現(xiàn)象。如果超過打印尺寸，可以通過修改尺寸，然后再次進(jìn)行切片工作。

三維模型通過切片工作進(jìn)行平面參數(shù)，面積大小，層數(shù)多少測(cè)量。切片軟件將設(shè)計(jì)3D模型轉(zhuǎn)換成打印機(jī)控制系統(tǒng)可以識(shí)別數(shù)字信號(hào)命令，從而讓打印機(jī)開始執(zhí)行打印工作。具體工作流程是：切片軟件根據(jù)用戶選擇的設(shè)置將stl格式的模型進(jìn)行水平切割，得到一個(gè)個(gè)平面圖，并計(jì)算打印機(jī)需要多少耗材及打印時(shí)間。然后將這些信息統(tǒng)一存入gcode文件，并發(fā)到用戶的打印機(jī)控制系統(tǒng)。切片軟件直接影響到最終產(chǎn)品的形態(tài)、表面光滑度等產(chǎn)品外觀問題。當(dāng)前slic3r，cura，simplify 3D等切片軟件平臺(tái)是比較常見的，本設(shè)計(jì)使用的是cura，適合于大眾使用。頁面簡(jiǎn)潔，基本只能看到常見的功能，對(duì)于3D打印機(jī)專家來說最多有超過200項(xiàng)參數(shù)要設(shè)置，且設(shè)置方便快捷，可以快速處理大型的STL文件。

切片完成后生成的gcode文件導(dǎo)入到控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)通過收到的gcode文件，然后按照gcode文件內(nèi)的參數(shù)控制硬件進(jìn)行打印。最后對(duì)模型是否按照gcode文件設(shè)置參數(shù)打印完成進(jìn)行判斷，如果打印完畢則停止打印機(jī)，回到原點(diǎn)。如果其中有突發(fā)狀況，比如斷電，打印機(jī)控制系統(tǒng)會(huì)記錄最后打印位置，等待再次送電繼續(xù)打印。

1.2 打印機(jī)主體結(jié)構(gòu)

3D打印機(jī)主體由42步進(jìn)電機(jī)、熱床、擠出機(jī)加熱模塊，限位傳感器等部件組成。最終的打印機(jī)主體可以打印250×250×250模型產(chǎn)品，通過42步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)皮帶帶動(dòng)擠出頭進(jìn)行打印工作。擠出機(jī)被按在在X軸路線上，通過同步帶進(jìn)行帶動(dòng)其左右移動(dòng)打印。Y軸同樣是一個(gè)42步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)同步帶，熱床固定在同步帶上，通過同步輪帶動(dòng)皮帶進(jìn)行移動(dòng)熱床進(jìn)行打印作業(yè)。Z軸則是兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)作業(yè)，兩個(gè)42步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲桿進(jìn)行上下移動(dòng)打印作業(yè)，安裝絲桿同步滑輪，在光桿的輔助下進(jìn)行上下的移動(dòng)。

熱床主要由玻璃板、鋁板、PCB板、壓力彈簧以及先關(guān)螺絲組成。PCB板的作用是加熱模型底層，從而使模型快速凝固。PCB板上有一個(gè)溫度傳感器，用來測(cè)量上面溫度是否在標(biāo)準(zhǔn)值內(nèi)。鋁板則放在PCD上面用來進(jìn)行熱傳導(dǎo)，鋁板上面是玻璃板用來放置打印模型器件。加熱塊上的溫度傳感器則是將加熱頭的溫度實(shí)時(shí)的反饋，從而決定了熔絲速度，影響進(jìn)出絲速度。限位傳感器模塊是限制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)多少的關(guān)鍵，直接影響了打印機(jī)最大打印范圍的大小，到達(dá)最大范圍時(shí)限位器給個(gè)電信號(hào)到控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)命令蜂鳴器會(huì)發(fā)出聲音進(jìn)行提醒。

擠出裝置由擠出機(jī)和加熱鋁塊兩個(gè)模塊組合而成。擠出機(jī)的任務(wù)是進(jìn)行打印材料的推送，擠出機(jī)由擠出輪與軸承相結(jié)合組成。擠出輪和軸承相互作用是打印材料推送的關(guān)鍵，利用兩者間對(duì)耗材的摩擦力帶動(dòng)耗材。軸承的使用為了減小耗材進(jìn)入加熱頭過程中的阻力，控制耗材進(jìn)入加熱塊的速度。擠壓耗材的壓力是擠壓輪與軸承之間空隙大小決定的，通過調(diào)整擠壓輪與軸承之間的距離可以調(diào)整壓力的大小，可以通過耗材直徑來決定這個(gè)空隙大?。?）。

加熱塊由銅制噴嘴，耐熱喉管、加熱棒、加熱鋁塊、散熱風(fēng)扇和溫度傳感電阻組成。加熱的溫度由打印耗材所決定，PLA材料的耗材加熱到190℃可以融化，abs材料則是200℃以上。在噴嘴流出的是加熱后的材料，這些材料被后續(xù)通過擠出機(jī)擠出的耗材所推動(dòng)流出。如果噴嘴處的散熱不好就會(huì)出現(xiàn)幾種常見情況：

（1）材料還未進(jìn)入加熱塊就已經(jīng)融化，使后續(xù)擠出機(jī)擠出耗材無法繼續(xù)推送已經(jīng)融掉的耗材。

（2）銅制噴嘴被擠出來的耗材剛剛出噴嘴就凝固成型，導(dǎo)致噴嘴無法繼續(xù)出材料。

要解決這幾種問題就要首先解決散熱問題，所以在噴嘴處安一個(gè)散熱風(fēng)扇，能很大程度地解決散熱問題，改善堵塞噴嘴的問題。

2 打印機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

打印機(jī)控制系統(tǒng)由控制主板、液晶顯示屏、數(shù)據(jù)傳導(dǎo)線等部件組成（如打印機(jī)控制芯片主要部件圖1所示）?？刂葡到y(tǒng)相當(dāng)于打印機(jī)的核心部件，通過WiFi模塊接收控制切片軟件發(fā)過來的gcode文件進(jìn)行處理控制電機(jī)的方向，進(jìn)行打印操作。

打印機(jī)控制系統(tǒng)采用32位arm處理器作為主要控制芯片，其中WiFi模塊是進(jìn)行與電腦控制軟件鏈接使用。熱床風(fēng)扇固定在熱床上面，熱床風(fēng)扇能有效地控制熱床溫度，還能促使擠出機(jī)擠出的熔融狀態(tài)的絲快速凝固。限位傳感器模塊能夠控制打印機(jī)最大的打印范圍，USB傳輸模塊與WiFi模塊的作用相同，都是為了將控制軟件與3d打印機(jī)控制系統(tǒng)連接。不同的是USB傳輸模塊是用長(zhǎng)長(zhǎng)的傳輸線，WiFi模塊則是通過電腦熱點(diǎn)。熱床模塊能夠?qū)岽策M(jìn)行加熱，加熱到一定溫度保持熱床溫度不再改變，能有效防止打印模型時(shí)模型出現(xiàn)的翹邊現(xiàn)象。斷電續(xù)打模塊能夠在突然斷電的情況下記錄打印位置，再次給電時(shí)打印機(jī)控制系統(tǒng)會(huì)回到斷電時(shí)的位置繼續(xù)加熱打印模型，直至模型打印完畢。電源模塊是提供穩(wěn)定的12V電源供控制系統(tǒng)使用，SD卡模塊是實(shí)現(xiàn)脫離電腦控制軟件，由SD卡內(nèi)的gcode文件直接控制整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行使用，使用觸摸顯示屏進(jìn)行文件選取并開始打印作業(yè)。

（1）液晶顯示屏模塊。液晶顯示屏模塊是本設(shè)計(jì)打印機(jī)進(jìn)行脫機(jī)運(yùn)行的必要器件，本模塊要在SD卡模塊內(nèi)有sd卡的條件下進(jìn)行使用。該模塊在沒有進(jìn)行WiFi模塊連接，沒有進(jìn)行USB連接時(shí)使用?？梢酝ㄟ^該模塊控制打印機(jī)系統(tǒng)所有部件的運(yùn)轉(zhuǎn)與停止，通過該模塊選取SD卡內(nèi)軟件設(shè)計(jì)的gcode文件進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置。并且可以通過該模塊選取建模軟件設(shè)計(jì)的stl文件進(jìn)行打印工作。

（2）電機(jī)控制模塊。使用42步進(jìn)電機(jī)的相互運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)帶動(dòng)擠出頭的位置，最大工作額定溫度可以達(dá)80℃，可以在室外環(huán)境溫度 -20℃～50℃下工作。采用逐層打印的方式，所以x軸與y軸各有一個(gè)步進(jìn)電機(jī)，帶動(dòng)擠出機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)打印完成一個(gè)完整的平面以后，z軸的兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)會(huì)相應(yīng)地轉(zhuǎn)動(dòng)相同的角度，將擠出頭抬高，從而實(shí)現(xiàn)由平面到立體的過程。

WiFi控制模塊。主要功能是打印機(jī)系統(tǒng)與打印機(jī)控制軟件的連接，關(guān)系到電腦控制軟件與手機(jī)APP是否能正常使用。WiFi模塊的使用方法有：通過路由器進(jìn)行連接使用，將電腦與打印機(jī)在同一環(huán)境下。利用筆記本電腦熱點(diǎn)，在筆記本熱點(diǎn)內(nèi)使用。向SD卡內(nèi)輸入WiFi參數(shù)，由WiFi模塊發(fā)射信號(hào)，電腦連接使用等方法。

3 控制軟件設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)良好的控制連接3D打印機(jī)，上機(jī)控制軟件通過WiFi模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，更新了先前使用連接線的方法（如控制軟件流程圖2所示）。控制軟件能夠了解打印機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，能夠調(diào)整打印機(jī)運(yùn)行參數(shù)。打印機(jī)運(yùn)行狀態(tài)可以通過監(jiān)視窗口直觀看到。擠出機(jī)是控制材料速度，可以通過改變步進(jìn)電機(jī)的脈沖，進(jìn)行對(duì)步進(jìn)電機(jī)快慢的調(diào)控，從而達(dá)到調(diào)控?cái)D出機(jī)的效果，改變擠出機(jī)的材料擠出量?？刂撇竭M(jìn)電機(jī)的脈沖是控制擠出機(jī)運(yùn)動(dòng)方向的條件，控制軟件能夠改變脈沖，控制x軸電機(jī)、y軸電機(jī)、z軸的電機(jī)的速度、方向等參數(shù)。加熱噴頭開始加熱，加熱到設(shè)置的溫度后，打印機(jī)啟動(dòng)在開始位置運(yùn)行。加熱塊對(duì)溫度的要求比較嚴(yán)格，所以擠出機(jī)加熱噴頭有散熱風(fēng)扇和感溫傳感，控制擠出機(jī)風(fēng)扇風(fēng)速，從而改變加熱塊溫度達(dá)到散熱效果。熱床也是到達(dá)一定溫度保持不變，所以對(duì)溫度的要求也比較高，熱床上設(shè)有散熱風(fēng)扇與感溫傳感，能夠?qū)岽矞囟鹊葏?shù)進(jìn)行控制。上機(jī)控制軟件能夠?qū)崿F(xiàn)緊急停止功能，在打印錯(cuò)誤緊急情況下的緊急停止，所有器件斷電以防發(fā)生危險(xiǎn)。能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，記錄打印時(shí)間以及打印位置坐標(biāo)，本設(shè)計(jì)打印機(jī)有斷電續(xù)打模塊，為其提供相應(yīng)參考數(shù)據(jù)。

結(jié)語

本設(shè)計(jì)是基于嵌入式的3d打印機(jī)的設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)的處理器是arm處理器，能夠?qū)Υ蛴C(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，并完成一系列的打印工作。軟件控制操作簡(jiǎn)單，功能齊全，能夠與打印機(jī)操作系統(tǒng)進(jìn)行完美融合，適合于打印機(jī)技術(shù)的推廣。本設(shè)計(jì)對(duì)打印機(jī)運(yùn)行模塊進(jìn)行了改進(jìn)，將3d打印機(jī)變得更加穩(wěn)定。設(shè)計(jì)的打印機(jī)控制系統(tǒng)與控制軟件，實(shí)現(xiàn)硬件主機(jī)與軟件系統(tǒng)的通信交流。后期還需對(duì)輸入設(shè)備進(jìn)行調(diào)試，將掃描設(shè)備添加進(jìn)來實(shí)現(xiàn)快速建模打印。

參考文獻(xiàn)

[1]宋廷強(qiáng)，邢照合.一種彩色FDM型3D打印機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2017，43（4）：69-71.

[2]韓金龍，李方舟.FDM型三軸并聯(lián)桌面3D打印機(jī)研究[A].機(jī)械工程師，2015.

[3]吳懷宇.3D打?。喝S智能數(shù)字化創(chuàng)造（第3版）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2017.

[4]郎為民，徐延軍.一本書讀懂3D打印[M].北京：人民郵電出版社，2016.

通信作者：丁學(xué)文。