基于FDM 3D打印機(jī)仿真軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

宋平蓮++江素華

摘要：該文以PC為平臺(tái)，以3D SYSTEM公司生產(chǎn)的FDM 3D打印機(jī)—3D Touch BFB-3000為原型，開發(fā)一個(gè)基于OpenGL的3D打印機(jī)仿真軟件系統(tǒng)。該系統(tǒng)能較清楚的演示3D打印過(guò)程。

關(guān)鍵詞：快速成型；仿真軟件系統(tǒng)；3D打印

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）24-0134-02

The Design and Implementation of the FDM 3D Printer Based Emulation Software

SONG Ping-lian， JIANG Su-hua

（Qingdao Binhai University， Qingdao 266555， China）

Abstract： In this paper， an OpenGL， 3D printer emulation system is developed that is prototyped on the FDM Touch BFB-3000 manufacured by 3D SYSTEM company on the PC platform.The system can more clearly demonstrate 3D printing process.

Key words： rapid prototyping； simulation software； 3D printing

1引言

快速成型技術(shù)是20世紀(jì)80年代后期發(fā)展起來(lái)的一種先進(jìn)制造技術(shù)。其是利用三維CAD的數(shù)據(jù)，通過(guò)快速成型機(jī)，將一層層的材料堆積成實(shí)體原型。形象地講，快速成型系統(tǒng)就像是一臺(tái)“立體打印機(jī)”，因此得名“3D打印機(jī)”。

快速成型的方式有很多，目前已出現(xiàn)的RP技術(shù)的主要工藝有：熔融沉積成型（FDM）、選擇性激光燒結(jié)成型（SLS）、光固化成型（SLA）、分層實(shí)體制造成型（LOM）等。

在3D打印技術(shù)中，F(xiàn)DM的機(jī)械結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)也最容易，制造成本、維護(hù)成本和材料成本也最低，因此也是在家用的桌面級(jí)3D打印機(jī)中使用得最多的技術(shù)，而工業(yè)級(jí)FDM機(jī)器，主要以Stratasys公司產(chǎn)品為代表。FDM 3D打印機(jī)，與其他快速成型工藝的主要不同在于，其構(gòu)成零件的每個(gè)層片是由材料絲熔融堆積而成的。成型過(guò)程中，材料在噴頭內(nèi)被加熱熔化，并以一定的壓力由噴頭沿產(chǎn)品截面輪廓和填充軌跡運(yùn)動(dòng)擠出，與前一層粘接在一起，逐層疊加，直至原型成品完成。FDM快速成型技術(shù)已廣泛應(yīng)用于汽車、機(jī)械、航空航天、家電、通訊、電子、建筑、醫(yī)學(xué)、玩具等產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)過(guò)程。

2主要研究?jī)?nèi)容

本文研究重點(diǎn)是FDM 3D打印機(jī)仿真軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，本仿真系統(tǒng)基于OpenGL，集合MFC類庫(kù)，使用Microsoft Visual C++6.0工具在Windows環(huán)境下開發(fā)而成。

2.1 打印機(jī)三維模型的建立

在分析FDM 3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，利用VisualC++、OpenGL提供的繪圖函數(shù)創(chuàng)建3D打印機(jī)的立體模型，主要是打印機(jī)外觀、工作臺(tái)、擠出機(jī)和噴頭等模型的建立。通過(guò)對(duì)模型進(jìn)行顏色、光照以及材質(zhì)的設(shè)置從而渲染模型以獲得逼真的仿真打印環(huán)境

2.2 BFB文件的解析和預(yù)打印檢查

3D Touch打印機(jī)的接口文件格式為bfb格式，解析BFB文件主要是分析bfb文件結(jié)構(gòu)和提取出文件中的模型信息。bfb文件有兩種，一種是現(xiàn)有的bfb文件，由STL模型在Axon分層軟件中轉(zhuǎn)換得來(lái)；另一種是自己手動(dòng)編寫的bfb文件。

bfb文件在打印前須進(jìn)行代碼錯(cuò)誤檢查，一般代碼的錯(cuò)誤類型主要有詞法錯(cuò)誤和語(yǔ)法錯(cuò)誤。將手動(dòng)輸入或載入的現(xiàn)有的bfb文件代碼進(jìn)行翻譯，當(dāng)文件檢查合格后，驅(qū)動(dòng)3D打印機(jī)的打印操作，實(shí)現(xiàn)整個(gè)打印過(guò)程的模擬。

2.3 打印路徑仿真算法研究

現(xiàn)有的bfb文件，是由STL文件在分層軟件中進(jìn)行處理獲取的，生成的bfb文件中含有打印路徑的信息，但是這些路徑掃描速度較慢、空行程多，成型率低。針對(duì)打印模型，可以在手寫的bfb文件中改進(jìn)其路徑掃描算法，盡可能地減少打印時(shí)間，提高打印效率。

2.4 打印過(guò)程可視化和分層輪廓預(yù)覽

通過(guò)對(duì)bfb文件的解析，提取出文件中打印機(jī)噴頭的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)，利用VisualC++、OpenGL將打印過(guò)程可視化，同時(shí)可以分層預(yù)覽模型打印的輪廓圖。

2.5 人機(jī)交互界面的開發(fā)

通過(guò)VC++6.0中的MFC框架，設(shè)計(jì)開發(fā)出友好的交互控制界面。用戶可以通過(guò)虛擬的操作面板實(shí)現(xiàn)了bfb文件的導(dǎo)入、檢查等操作，方便地進(jìn)行視圖轉(zhuǎn)換、縮放及視角變化，并能控制打印機(jī)的工作狀態(tài)如開始、暫停、結(jié)束等一系列操作。

3仿真軟件各功能模塊

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先根據(jù)各部分功能進(jìn)行模塊劃分并進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后再將各個(gè)模塊連接起來(lái)組成完成的仿真系統(tǒng)。

3.1 文件管理

文件管理主要包括bfb文件的管理模塊和系統(tǒng)幫助模塊。

bfb文件的管理模塊：主要功能是負(fù)責(zé)bfb文件的存儲(chǔ)，包括現(xiàn)有的bfb文件和手動(dòng)編寫的bfb文件。

系統(tǒng)幫助模塊：用戶使用本仿真軟件過(guò)程中如果遇到問(wèn)題，可以通過(guò)幫助菜單打開文件來(lái)查詢?nèi)绾问褂帽痉抡孳浖?/p>

3.2 打印仿真環(huán)境

打印仿真環(huán)境包括打印機(jī)模型設(shè)計(jì)模塊和人機(jī)交互模塊。

打印機(jī)模型設(shè)計(jì)模塊：使用OpenGL自身提供的繪圖函數(shù)建立實(shí)體模型，主要是打印機(jī)外觀、工作臺(tái)、擠出機(jī)和噴頭等模型的建立。然后對(duì)模型添加顏色、光照、材質(zhì)以獲得逼真的仿真打印環(huán)境。

人機(jī)交互模塊：本仿真軟件是以實(shí)時(shí)的人機(jī)交互為基礎(chǔ)，完成對(duì)打印過(guò)程的控制，具體有打印狀態(tài)的控制、打印速度的控制、視圖選擇、試圖縮放等。同時(shí)，也可以控制仿真顯示的內(nèi)容，分層輪廓預(yù)覽或者打印過(guò)程預(yù)覽。具體實(shí)現(xiàn)方式則以MFC為基礎(chǔ)創(chuàng)建功能菜單、操作面板來(lái)完成。

3.3 打印仿真過(guò)程

打印仿真過(guò)程包括bfb文件解釋模塊、bfb文件檢查模塊、打印顯示模塊。

bfb文件解釋模塊：負(fù)責(zé)把bfb文件中的代碼翻譯成3D打印機(jī)的執(zhí)行動(dòng)作。一般可以從bfb文件代碼中提取出打印機(jī)噴頭的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)、進(jìn)給率、打印溫度、馬達(dá)速度和轉(zhuǎn)速。

bfb文件檢查模塊：負(fù)責(zé)bfb文件代碼的錯(cuò)誤檢查，文件檢查合格后才能進(jìn)行下一步的打印操作。

打印顯示模塊：主要作用是將FDM 3D打印機(jī)打印模型的整個(gè)過(guò)程可視化，用戶可以預(yù)覽打印機(jī)的運(yùn)動(dòng)路徑，同時(shí)也可以預(yù)覽每一層輪廓。

4小結(jié)

本仿真系統(tǒng)為了使虛擬打印的仿真過(guò)程模擬的更加逼真，采用了OpenGL中的雙緩存技術(shù)，以前后緩存交換的方式通過(guò)不斷刷新繪制圖形并形成動(dòng)畫。

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