孫偉　卜凡　張子凱　丁學文　楊斐

摘 要：面對進口3D打印機價格過高，操作困難而不利于打印機技術推廣的現(xiàn)狀，本文在對3d打印機原理研究的基礎上，設計了一種基于嵌入式三維打印機。本設計由打印機主體機、打印機軟件控制系統(tǒng)、控制軟件組成。其中打印機主體機通過接收，打印機控制系統(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，控制電機方向進行打印操作；控制軟件對打印機進行遠程控制，能夠了解打印機運行狀態(tài)并調整打印機運行參數(shù)。本設計利用鋁材料在原有固定xyz結構打印機基礎上，對 x軸、y軸、z軸的運動板塊進行了改進，同時對擠出機，熱床的組成進行改進。實際測試效果表明，本設計具有結構設計穩(wěn)固、上機軟件控制操作簡單、使用便捷和價格制造低廉等特點。

關鍵詞：3D打?。槐憬?；價格低廉；操作簡單

中圖分類號：TP316 文獻標志碼：A

0 引言

3D打印技術是新興制造技術，在新興制造產(chǎn)業(yè)為比較突出的技術。在國外3D打印技術沖擊國內技術達不到的狀況下，進口的3D打印機價格偏高成為必然現(xiàn)象。為了制作價格低廉、操作簡便、穩(wěn)定性強的打印機，讓3D打印技術更快普及于國內，現(xiàn)設計一款嵌入式開源平臺打印機。

3D打印立即成型技術有以下幾種：立體光刻成型、選擇性激光成型、熔絲堆積成型和疊層實體制造法。本設計采用熔絲堆積成型的方式，這種打印方式成本低，軟件開源，學習簡單，受到許多人的喜愛。這種3D打印方式注重的是設計和創(chuàng)新相結合，設計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。本設計利用鋁材作為主要材料，減少了機械抖動。操作方式變得簡便，電腦上位機都可以對其進行指令的發(fā)送。本設計采用開源設計結構，擁有制造成本低、工作效率高、穩(wěn)定性強和操作簡單的優(yōu)點。

1 三維打印機原理及主體機設計

1.1 基本工作原理

本設計利用熔絲堆積成型的方法，以模型轉變?yōu)榭勺R別的數(shù)字信號模型為基礎，由復雜簡單化的過程，將三維模型變成二維圖片化平面，然后進行平面打印，一個一個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。本設計利用PLA材料熔點低能快速凝固成型的特點，通過擠出機控制絲量多少，送進加熱頭進行加熱，擠出機通過擠出輪進行進料將已經(jīng)融化的材料擠出，最后堆積成為設計模型產(chǎn)品。

整個3D打印機控制與操作系統(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計，切片軟件設置。硬件控制部分分為收到控制部分的信息處理，操控打印機主機部分進行工作，最后出來產(chǎn)品。操控系統(tǒng)的流程大致分為以下過程：

3D模型的設計是打印過程中必不可少的一部分，3D模型的設計一般采用常見的3D模型進行設計。常見的3D模型設計軟件有3d max、AutoCAD、UG等等，所設計的模型要將保存的格式設為stl、sla，設計完成后對制作的模型進行初步的識別，設計尺寸不合格的要進行第二次修改大小的工作。設計模型要在打印范圍內，不然會出現(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，然后再次進行切片工作。

三維模型通過切片工作進行平面參數(shù)，面積大小，層數(shù)多少測量。切片軟件將設計3D模型轉換成打印機控制系統(tǒng)可以識別數(shù)字信號命令，從而讓打印機開始執(zhí)行打印工作。具體工作流程是：切片軟件根據(jù)用戶選擇的設置將stl格式的模型進行水平切割，得到一個個平面圖，并計算打印機需要多少耗材及打印時間。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。當前slic3r，cura，simplify 3D等切片軟件平臺是比較常見的，本設計使用的是cura，適合于大眾使用。頁面簡潔，基本只能看到常見的功能，對于3D打印機專家來說最多有超過200項參數(shù)要設置，且設置方便快捷，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文件內的參數(shù)控制硬件進行打印。最后對模型是否按照gcode文件設置參數(shù)打印完成進行判斷，如果打印完畢則停止打印機，回到原點。如果其中有突發(fā)狀況，比如斷電，打印機控制系統(tǒng)會記錄最后打印位置，等待再次送電繼續(xù)打印。

1.2 打印機主體結構

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

熱床主要由玻璃板、鋁板、PCB板、壓力彈簧以及先關螺絲組成。PCB板的作用是加熱模型底層，從而使模型快速凝固。PCB板上有一個溫度傳感器，用來測量上面溫度是否在標準值內。鋁板則放在PCD上面用來進行熱傳導，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時的反饋，從而決定了熔絲速度，影響進出絲速度。限位傳感器模塊是限制步進電機運轉多少的關鍵，直接影響了打印機最大打印范圍的大小，到達最大范圍時限位器給個電信號到控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)命令蜂鳴器會發(fā)出聲音進行提醒。

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

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)通過擠出機擠出的耗材所推動流出。如果噴嘴處的散熱不好就會出現(xiàn)幾種常見情況：

（1）材料還未進入加熱塊就已經(jīng)融化，使后續(xù)擠出機擠出耗材無法繼續(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散熱風扇，能很大程度地解決散熱問題，改善堵塞噴嘴的問題。

2 打印機控制系統(tǒng)設計

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

打印機控制系統(tǒng)采用32位arm處理器作為主要控制芯片，其中WiFi模塊是進行與電腦控制軟件鏈接使用。熱床風扇固定在熱床上面，熱床風扇能有效地控制熱床溫度，還能促使擠出機擠出的熔融狀態(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打印機控制系統(tǒng)連接。不同的是USB傳輸模塊是用長長的傳輸線，WiFi模塊則是通過電腦熱點。熱床模塊能夠對熱床進行加熱，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，再次給電時打印機控制系統(tǒng)會回到斷電時的位置繼續(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卡模塊是實現(xiàn)脫離電腦控制軟件，由SD卡內的gcode文件直接控制整個控制系統(tǒng)進行使用，使用觸摸顯示屏進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計打印機進行脫機運行的必要器件，本模塊要在SD卡模塊內有sd卡的條件下進行使用。該模塊在沒有進行WiFi模塊連接，沒有進行USB連接時使用?？梢酝ㄟ^該模塊控制打印機系統(tǒng)所有部件的運轉與停止，通過該模塊選取SD卡內軟件設計的gcode文件進行參數(shù)的設置。并且可以通過該模塊選取建模軟件設計的stl文件進行打印工作。

（2）電機控制模塊。使用42步進電機的相互運動來實現(xiàn)帶動擠出頭的位置，最大工作額定溫度可以達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軸各有一個步進電機，帶動擠出機運轉。當打印完成一個完整的平面以后，z軸的兩個步進電機會相應地轉動相同的角度，將擠出頭抬高，從而實現(xiàn)由平面到立體的過程。

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

3 控制軟件設計

為了實現(xiàn)良好的控制連接3D打印機，上機控制軟件通過WiFi模塊實現(xiàn)遠程控制，更新了先前使用連接線的方法（如控制軟件流程圖2所示）?？刂栖浖軌蛄私獯蛴C運行狀態(tài)，能夠調整打印機運行參數(shù)。打印機運行狀態(tài)可以通過監(jiān)視窗口直觀看到。擠出機是控制材料速度，可以通過改變步進電機的脈沖，進行對步進電機快慢的調控，從而達到調控擠出機的效果，改變擠出機的材料擠出量。控制步進電機的脈沖是控制擠出機運動方向的條件，控制軟件能夠改變脈沖，控制x軸電機、y軸電機、z軸的電機的速度、方向等參數(shù)。加熱噴頭開始加熱，加熱到設置的溫度后，打印機啟動在開始位置運行。加熱塊對溫度的要求比較嚴格，所以擠出機加熱噴頭有散熱風扇和感溫傳感，控制擠出機風扇風速，從而改變加熱塊溫度達到散熱效果。熱床也是到達一定溫度保持不變，所以對溫度的要求也比較高，熱床上設有散熱風扇與感溫傳感，能夠對熱床溫度等參數(shù)進行控制。上機控制軟件能夠實現(xiàn)緊急停止功能，在打印錯誤緊急情況下的緊急停止，所有器件斷電以防發(fā)生危險。能夠進行實時監(jiān)測，記錄打印時間以及打印位置坐標，本設計打印機有斷電續(xù)打模塊，為其提供相應參考數(shù)據(jù)。

結語

本設計是基于嵌入式的3d打印機的設計，本設計的處理器是arm處理器，能夠對打印機控制系統(tǒng)進行控制，并完成一系列的打印工作。軟件控制操作簡單，功能齊全，能夠與打印機操作系統(tǒng)進行完美融合，適合于打印機技術的推廣。本設計對打印機運行模塊進行了改進，將3d打印機變得更加穩(wěn)定。設計的打印機控制系統(tǒng)與控制軟件，實現(xiàn)硬件主機與軟件系統(tǒng)的通信交流。后期還需對輸入設備進行調試，將掃描設備添加進來實現(xiàn)快速建模打印。

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通信作者：丁學文。