輕量化無線3D打印機設(shè)計與研究

張鵬飛，王建鑫，高從強，林小珍，陳玉林

（東南大學(xué)成賢學(xué)院 電子與計算機工程學(xué)院，江蘇 南京 210088）

3D打印思想起源于19世紀(jì)末的美國所研究出的照相雕塑和地貌成形技術(shù)，并在20世紀(jì)80年代得以發(fā)展和推廣。2012-04，英國著名雜志《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》發(fā)表以3D打印技術(shù)為代表性的第三次全球工業(yè)革命的專題報告。美國《時代》周刊也將3D打印列為“美國十大增長最快的工業(yè)”。自2013年以來，國內(nèi)媒體和各方學(xué)術(shù)人士也開始追捧起3D打印技術(shù)，各級政府部門開始關(guān)注并制訂了一系列有關(guān)3D打印技術(shù)的發(fā)展規(guī)劃。

但就總體而言，國內(nèi)3D打印技術(shù)研發(fā)水平與國外相比還是有較大差距的。國內(nèi)企業(yè)，比如南京紫金立德、湖北濱湖、北京殷華、陜西恒通等已實現(xiàn)了3D打印機的整機生產(chǎn)和銷售，這些企業(yè)基本都是由海外歸國團(tuán)隊建立的，產(chǎn)業(yè)規(guī)模較小，產(chǎn)品技術(shù)含量與國外廠商同類產(chǎn)品相比還處于低端水平。在服務(wù)領(lǐng)域，我國東部發(fā)達(dá)城市已經(jīng)有企業(yè)使用進(jìn)口3D打印設(shè)備開展了商業(yè)化的快速成型服務(wù)，其服務(wù)范圍涉及到樣品模型的設(shè)計制作、零件的定制打印、文物的打印復(fù)原等多個領(lǐng)域。雖然大多數(shù)公司已經(jīng)用上了3D打印技術(shù)，對于普通民眾而言，對3D打印機依舊陌生，經(jīng)過調(diào)查，許多群眾聽說過這項技術(shù)，但是真正了解的人非常少，一方面，由于3D打印比較新穎；另一方面，由于3D打印設(shè)備的昂貴，給大多數(shù)人又增加了一層阻礙。因此，我們想要制作一款打印精度準(zhǔn)確而又價格低廉的產(chǎn)品，針對以上問題，提出了這款輕量化無線3D打印機，而增加的無線控制以及界面顯示功能，使得打印機更加智能便利。

1 輕量化無線3D打印機的總體設(shè)計

本項目基于Arduino平臺制作的輕量化無線3D打印機。3D打印機主要部件有主控電路、TFT顯示屏、步進(jìn)電機、傳感器、高溫擠出頭和工件輸出基板。增加了WiFi無線通信模塊，使得打印機的連接脫離物理數(shù)據(jù)線，在用戶操作過程中更加便利。增加了觸屏顯示交互模塊，讓用戶操作起來更加直觀、便捷，并能夠?qū)崟r觀察到打印機擠出頭的加熱溫度以及打印機的打印進(jìn)度。我們還增加自動調(diào)平技術(shù)，自動獲取平臺信息進(jìn)行自我調(diào)平，減少了平常生活中的操作法復(fù)雜度。最終制作出一臺具有速度快、靜音、三臂并聯(lián)結(jié)構(gòu)、擴(kuò)展性強、便宜、智能等特點的輕量化無線3D打印機。

本文設(shè)計的3D打印機框架結(jié)構(gòu)是一種Delta（三角洲）運動結(jié)構(gòu)。3D打印機的整體框架是一個開放的由鋼型材質(zhì)搭建的一個正三棱柱，保證了滑軌的垂直度與剛度。三棱柱的各側(cè)棱安裝一個高精度的定制滑輪，各側(cè)棱底部固定一個步進(jìn)電機，并通過同步帶驅(qū)動滑輪上下滑動，滑輪依靠連接桿與打印機噴頭相連。噴頭通過滑輪的上下移動來推動連接桿進(jìn)行運動，從而實現(xiàn)對打印機噴頭位置的控制。打印原料通過一個步進(jìn)電機驅(qū)動送入與打印機頭連接的傳送管中，打印原料通過送料齒輪擠入噴頭中，保證了打印原料的穩(wěn)定供給。打印的工作區(qū)域位于框架的底部，主控板位于打印平臺下方，方便調(diào)平打印機工作平臺以及拓展和維護(hù)打印機。

2 硬件控制系統(tǒng)

硬件控制系統(tǒng)是3D打印機中的“大腦”至關(guān)重要，它的主要功能包括數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)處理、人機交互、運動控制控制，硬件控制系統(tǒng)采用的是上下位機的硬件控制。

2.1 上下位機硬件部分

上位機完成打印數(shù)據(jù)的處理和對下位機的控制，主要功能是將CAD模型生成打印機的數(shù)據(jù)信息、對打印機的參數(shù)設(shè)置、對打印機的打印情況進(jìn)行監(jiān)控，必要時對打印機干涉，并提供打印成型進(jìn)度的實時顯示。但由于加入TFT顯示屏進(jìn)行交互，很大程度減少了上位機的使用。

本文的無線輕量化3D打印機下位機的主要硬件部分包含mega 2560主控板、RAMPS1.4拓展板。主要功能是執(zhí)行由上位機生成的打印數(shù)據(jù)信息、處理交互信息、控制步進(jìn)電機，形成過程控制，設(shè)備中斷，硬件設(shè)備相關(guān)聯(lián)的控制。拓展板Ramps1.4通過插針與主控板相連，可以更好地讓主控板與其他硬件進(jìn)行連接和控制。

2.2 送料控制模塊

送料控制模塊主要包括機械部分和硬件部分。機械部分主要有送料電機、擠出頭、溫度傳感器和散熱風(fēng)扇。送料電機是用于將料架上打印原料送進(jìn)擠出頭，并可通過調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)擠出速度。擠出頭是用于打印材料融化。溫度傳感器是用于控制擠出頭的溫度，從而讓材料在擠出頭中達(dá)到最佳熔化溫度。散熱風(fēng)扇用于冷卻擠出機中喉管的溫度，減少打印材料在喉管中的倒流問題。硬件部分主要有Arduino mega 2560和Ramps1.4，Arduino mega 2560主要用于處理機械部分的運作。

2.3 運動控制模塊

運動控制模塊是由3個步進(jìn)電機驅(qū)動擠出頭運動進(jìn)而實現(xiàn)打印。而運動模塊的核心部分是算法，算法原理是將打印機的X，Y，Z軸通過笛卡爾空間變換及勾股定理轉(zhuǎn)化為打印物件的坐標(biāo)點，即是將3D打印模型的數(shù)控指令轉(zhuǎn)換成3D打印機的內(nèi)部指令，通過步進(jìn)電機驅(qū)動器驅(qū)動步進(jìn)電機按指令轉(zhuǎn)動，進(jìn)而實現(xiàn)3D打印工作。

2.4 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊

無線數(shù)據(jù)傳輸模塊是由WiFi信號發(fā)射芯片和主控板組成。在進(jìn)行3D打印數(shù)據(jù)傳輸時，電腦通過連接3D打印機發(fā)出的WiFi信號將CAD模型生成打印機的數(shù)據(jù)信息傳輸給3D打印機，從而實現(xiàn)打印機的脫機打印能力，并在下次使用時WiFi自動連接，增加易用性。

2.5 人機交互控制模塊

人機交互模塊由一塊TFT全彩觸摸屏構(gòu)成。其中，觸摸屏可以顯示打印機參數(shù)以及打印機的工作狀態(tài)，觸摸屏界面增加打印以外的處理功能，比如斷電續(xù)打、斷點續(xù)打、斷料檢測等；增加關(guān)機處理功能，比如斷電保存、打完關(guān)機等；并增加一鍵調(diào)平，一鍵回程功能。

2.6 無線控制人機交互模塊

無線控制人機交互模塊是通過手機連接無線模塊進(jìn)行通信，通過手機APP與3D打印機進(jìn)行人機交互，實現(xiàn)與顯示屏相同的功能。

2.7 其他控制模塊

其他控制單元包括打印平臺溫度監(jiān)測控制、冷卻控制、一鍵回程和一鍵調(diào)平等功能模塊。打印平臺溫度控制模塊用于監(jiān)測控制打印機工作平臺表面的溫度。因為3D打印機是逐層打印的，如果打印材料沒有黏合在平臺上，會導(dǎo)致打印成品位置的偏移，造成打印失敗。因此，需要平臺預(yù)熱到一定溫度，使打印材料在成型后可以貼緊附著在工作平臺上，但又不會發(fā)生融化。冷卻控制用于打印好部分的溫度控制，當(dāng)材料在擠出后會進(jìn)行冷卻，而冷卻會導(dǎo)致材料進(jìn)行收縮，導(dǎo)致打印成品產(chǎn)生誤差，因此，需要進(jìn)行模型的冷卻控制。打印機噴頭的回程主要依靠三軸的限位開關(guān)控制，當(dāng)滑輪達(dá)到頂點時，限位開關(guān)斷電，步進(jìn)電機停止運轉(zhuǎn)從而達(dá)到回程的效果。自動調(diào)平功能模塊主要用于3D打印機的定位控制，回程模塊用于每次打印開始和打印結(jié)束后，打印機噴頭高度的自動校正。自動調(diào)平主要用于檢測打印機工作平臺的平面度，并且在打印時實時修正傾斜度，保證打印件的精度。

3 軟件控制系統(tǒng)

在上下位機控制模式的硬件控制系統(tǒng)下，本文設(shè)計的3D打印機軟件控制系統(tǒng)也分為上位機控制軟件和下位機控制軟件。

3.1 上位機控制軟件

3D打印機上位機控制軟件的作用是將CAD模型生成打印的數(shù)據(jù)信息并與3D打印機通信，把打印數(shù)據(jù)文件發(fā)送給打印機，對打印成型情況進(jìn)行監(jiān)控并接收運動參數(shù)反饋，調(diào)整并控制3D打印機的系統(tǒng)參數(shù)和運動使其完成打印。必要時通過上位機對其進(jìn)行干涉，本文主要采用Pronteface作為3D打印機的上位機控制軟件。

3.2 下位機控制固件

下位機控制固件是Arduino mega 2560主控板上的嵌入式系統(tǒng)。主要功能是處理打印數(shù)據(jù)，控制人機交互模塊，控制步進(jìn)電機運動、送料模塊、溫度控制等。可以將人對打印機的指令直接轉(zhuǎn)化為打印機內(nèi)部的代碼指令。本次設(shè)計所采用的固件是基于Arduino平臺的Marlin固件系統(tǒng)，因為開源系統(tǒng)便于改動固件里的大量代碼，方便修改成符合本設(shè)計機械結(jié)構(gòu)的固件，Marlin固件除了基本的三維打印功能外，還具有以下幾個優(yōu)點：①預(yù)加速功能，使得打印機在打弧線時速度更快、更流暢；②自動恒溫，溫度過采樣，更好地控制擠出頭溫度；③支持拓展TFT觸屏顯示；④自動調(diào)平；⑤終止觸發(fā)報告；⑥D(zhuǎn)elta運動學(xué)。

4 結(jié)束語

3D打印技術(shù)相比于傳統(tǒng)的工業(yè)是一項重大的技術(shù)革命，本文介紹的是一種簡單易上手的簡易打印機，更加適合對3D打印機的初步研究。對于3D打印機，還有更多技術(shù)需要我們?nèi)パ芯?，比如打印材料、算法、機械結(jié)構(gòu)等，同時，3D打印技術(shù)可廣泛地應(yīng)用于醫(yī)療、科學(xué)研究、建筑設(shè)計、汽車制造、產(chǎn)品原型等行業(yè)。