3D打印機體系結構研究

摘 要：本文介紹了3D打印機的技術特點。以一種工藝為例論述了3D打印機的軟硬件技術體系架構，并詳細介紹了3D打印機各組成部分的功能以及各部分之間的接口關系，并介紹了3D打印的工作流程。

關鍵詞：3D打印；體系結構

中圖分類號：TP334.8

3D打印就是指通過可以“打印”出真實物體的3D打印機，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物。也就是軟件通過電腦輔助設計技術完成一系列數(shù)字切片，并將這些切片的信息傳送到3D打印機控制器上，而3D打印機會利用原材料將連續(xù)的薄型層面逐層堆疊起來，直到一個固態(tài)物體成型。由于具體堆疊的形式有多種多樣，因此產生了多種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（三維噴涂粘結成型）、SLS（選擇性激光燒結成型）、Ployjet（噴墨成型）等。

3D打印技術能大幅度降低一次性原型造價，縮短設計改進的過程。3D打印技術可實現(xiàn)用傳統(tǒng)方法很難實現(xiàn)的工藝，如在堅固的金屬結構中把尖形拐角做成弧形等。利用3D印制技術大幅減輕零部件的重量，提高材料利用率，從而提升產品性能并降低產品造價。本文針對以熔融沉積造型技術（Fused Deposition Modeling， FDM）原理建構的3D打印機，對其基本系統(tǒng)架構和工作流程進行研究。

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打印機空間能識別的三維信息，然后進行分層，得到每層的二維信息。接下來不同的打印機原理不同，但基本都是先打出第一層材料，燒結（或用激光加熱使其凝結），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工藝的關鍵是保持半流動成型材料剛好在熔點之上（通?？刂圃诒热埸c高1℃左右）。FDM噴頭受CAD分層數(shù)據(jù)控制使半流動狀態(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打印機體系架構

基于FDM工藝的3D打印機從控制結構上看，分上位機和底層控制兩層，上位機主要運行三維設計軟件、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、步進電機、電機驅動器、限位開關、熱塑材料擠出機、打印平臺、溫度傳感器等。如圖所示。

上位機可以是筆記本或PC機，三維設計軟件，切片軟件，控制程序都運行在上位機上面。底層控制主要負責打印的執(zhí)行，控制器主板連接3D打印機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載的轉換硬件，以便轉換到打印平臺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，也要能從大電流電源生成整個系統(tǒng)的能源集線器。主板與每個軸的限位開關進行交互，并把打印頭在打印前精準定位。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、限位開關等傳感器，也可以通過電機驅動器控制電機，并轉換到高負載通過MOSFETs晶體管電路。微控制器用分離的步進電機驅動器來控制電機。微控制器用Arduino開源硬件作為基礎部件。電源采用的ATX電源等進行供電應，電壓在12-24V，電流在8A以上，整個打印機的最大消耗電源部件是擠出器和打印平臺。

3 3D打印工作流程及各部件關系

在如圖2所示的控制結構下，3D打印機的工作流程如圖2所示。3D模型的構建及模型的檢查與修改器由三維設計軟件來實現(xiàn)，模型的切片及計算刀具路徑由切片軟件來實現(xiàn)，控制底層固件打印由控制程序來實現(xiàn)。整個過程從3D模型開始，它是STL格式的，該模型須適應3D打印機的尺寸?？刂瞥绦颢@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。這個過程生成告訴3D打印機把擠出器移動到哪、何時擠出、擠出多少的G代碼。這些G代碼被打印機控制軟件發(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，它負責解析從打印機控制程序發(fā)來的G代碼命令，控制所有的電器元件（包括步進電機和加熱器）。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 結束語

根據(jù)3D打印機體系及工作流程，我們可以搭建桌面3D打印機，驗證3D打印機的工作原理，掌握3D打印機各組成部分之間的接口關系，為研制更大尺寸和更高精度的3D打印機打下堅實的理論和實踐基礎。

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

作者單位：長春設備工藝研究所，長春 130012