轻量化无线3D打印机设计与研究

2018-11-30张鹏飞王建鑫高从强林小珍陈玉林

科技与创新 2018年15期

张鹏飞，王建鑫，高从强，林小珍，陈玉林

（东南大学成贤学院电子与计算机工程学院，江苏南京 210088）

3D打印思想起源于19世纪末的美国所研究出的照相雕塑和地貌成形技术，并在20世纪80年代得以发展和推广。2012-04，英国著名杂志《经济学人》发表以3D打印技术为代表性的第三次全球工业革命的专题报告。美国《时代》周刊也将3D打印列为“美国十大增长最快的工业”。自2013年以来，国内媒体和各方学术人士也开始追捧起3D打印技术，各级政府部门开始关注并制订了一系列有关3D打印技术的发展规划。

但就总体而言，国内3D打印技术研发水平与国外相比还是有较大差距的。国内企业，比如南京紫金立德、湖北滨湖、北京殷华、陕西恒通等已实现了3D打印机的整机生产和销售，这些企业基本都是由海外归国团队建立的，产业规模较小，产品技术含量与国外厂商同类产品相比还处于低端水平。在服务领域，我国东部发达城市已经有企业使用进口3D打印设备开展了商业化的快速成型服务，其服务范围涉及到样品模型的设计制作、零件的定制打印、文物的打印复原等多个领域。虽然大多数公司已经用上了3D打印技术，对于普通民众而言，对3D打印机依旧陌生，经过调查，许多群众听说过这项技术，但是真正了解的人非常少，一方面，由于3D打印比较新颖；另一方面，由于3D打印设备的昂贵，给大多数人又增加了一层阻碍。因此，我们想要制作一款打印精度准确而又价格低廉的产品，针对以上问题，提出了这款轻量化无线3D打印机，而增加的无线控制以及界面显示功能，使得打印机更加智能便利。

1 轻量化无线3D打印机的总体设计

本项目基于Arduino平台制作的轻量化无线3D打印机。3D打印机主要部件有主控电路、TFT显示屏、步进电机、传感器、高温挤出头和工件输出基板。增加了WiFi无线通信模块，使得打印机的连接脱离物理数据线，在用户操作过程中更加便利。增加了触屏显示交互模块，让用户操作起来更加直观、便捷，并能够实时观察到打印机挤出头的加热温度以及打印机的打印进度。我们还增加自动调平技术，自动获取平台信息进行自我调平，减少了平常生活中的操作法复杂度。最终制作出一台具有速度快、静音、三臂并联结构、扩展性强、便宜、智能等特点的轻量化无线3D打印机。

本文设计的3D打印机框架结构是一种Delta（三角洲）运动结构。3D打印机的整体框架是一个开放的由钢型材质搭建的一个正三棱柱，保证了滑轨的垂直度与刚度。三棱柱的各侧棱安装一个高精度的定制滑轮，各侧棱底部固定一个步进电机，并通过同步带驱动滑轮上下滑动，滑轮依靠连接杆与打印机喷头相连。喷头通过滑轮的上下移动来推动连接杆进行运动，从而实现对打印机喷头位置的控制。打印原料通过一个步进电机驱动送入与打印机头连接的传送管中，打印原料通过送料齿轮挤入喷头中，保证了打印原料的稳定供给。打印的工作区域位于框架的底部，主控板位于打印平台下方，方便调平打印机工作平台以及拓展和维护打印机。

2 硬件控制系统

硬件控制系统是3D打印机中的“大脑”至关重要，它的主要功能包括数据接收、数据处理、人机交互、运动控制控制，硬件控制系统采用的是上下位机的硬件控制。

2.1 上下位机硬件部分

上位机完成打印数据的处理和对下位机的控制，主要功能是将CAD模型生成打印机的数据信息、对打印机的参数设置、对打印机的打印情况进行监控，必要时对打印机干涉，并提供打印成型进度的实时显示。但由于加入TFT显示屏进行交互，很大程度减少了上位机的使用。

本文的无线轻量化3D打印机下位机的主要硬件部分包含mega 2560主控板、RAMPS1.4拓展板。主要功能是执行由上位机生成的打印数据信息、处理交互信息、控制步进电机，形成过程控制，设备中断，硬件设备相关联的控制。拓展板Ramps1.4通过插针与主控板相连，可以更好地让主控板与其他硬件进行连接和控制。

2.2 送料控制模块

送料控制模块主要包括机械部分和硬件部分。机械部分主要有送料电机、挤出头、温度传感器和散热风扇。送料电机是用于将料架上打印原料送进挤出头，并可通过调节电机的转速来调节挤出速度。挤出头是用于打印材料融化。温度传感器是用于控制挤出头的温度，从而让材料在挤出头中达到最佳熔化温度。散热风扇用于冷却挤出机中喉管的温度，减少打印材料在喉管中的倒流问题。硬件部分主要有Arduino mega 2560和Ramps1.4，Arduino mega 2560主要用于处理机械部分的运作。

2.3 运动控制模块

运动控制模块是由3个步进电机驱动挤出头运动进而实现打印。而运动模块的核心部分是算法，算法原理是将打印机的X，Y，Z轴通过笛卡尔空间变换及勾股定理转化为打印物件的坐标点，即是将3D打印模型的数控指令转换成3D打印机的内部指令，通过步进电机驱动器驱动步进电机按指令转动，进而实现3D打印工作。

2.4 无线数据传输模块

无线数据传输模块是由WiFi信号发射芯片和主控板组成。在进行3D打印数据传输时，电脑通过连接3D打印机发出的WiFi信号将CAD模型生成打印机的数据信息传输给3D打印机，从而实现打印机的脱机打印能力，并在下次使用时WiFi自动连接，增加易用性。

2.5 人机交互控制模块

人机交互模块由一块TFT全彩触摸屏构成。其中，触摸屏可以显示打印机参数以及打印机的工作状态，触摸屏界面增加打印以外的处理功能，比如断电续打、断点续打、断料检测等；增加关机处理功能，比如断电保存、打完关机等；并增加一键调平，一键回程功能。

2.6 无线控制人机交互模块

无线控制人机交互模块是通过手机连接无线模块进行通信，通过手机APP与3D打印机进行人机交互，实现与显示屏相同的功能。

2.7 其他控制模块

其他控制单元包括打印平台温度监测控制、冷却控制、一键回程和一键调平等功能模块。打印平台温度控制模块用于监测控制打印机工作平台表面的温度。因为3D打印机是逐层打印的，如果打印材料没有黏合在平台上，会导致打印成品位置的偏移，造成打印失败。因此，需要平台预热到一定温度，使打印材料在成型后可以贴紧附着在工作平台上，但又不会发生融化。冷却控制用于打印好部分的温度控制，当材料在挤出后会进行冷却，而冷却会导致材料进行收缩，导致打印成品产生误差，因此，需要进行模型的冷却控制。打印机喷头的回程主要依靠三轴的限位开关控制，当滑轮达到顶点时，限位开关断电，步进电机停止运转从而达到回程的效果。自动调平功能模块主要用于3D打印机的定位控制，回程模块用于每次打印开始和打印结束后，打印机喷头高度的自动校正。自动调平主要用于检测打印机工作平台的平面度，并且在打印时实时修正倾斜度，保证打印件的精度。

3 软件控制系统

在上下位机控制模式的硬件控制系统下，本文设计的3D打印机软件控制系统也分为上位机控制软件和下位机控制软件。

3.1 上位机控制软件

3D打印机上位机控制软件的作用是将CAD模型生成打印的数据信息并与3D打印机通信，把打印数据文件发送给打印机，对打印成型情况进行监控并接收运动参数反馈，调整并控制3D打印机的系统参数和运动使其完成打印。必要时通过上位机对其进行干涉，本文主要采用Pronteface作为3D打印机的上位机控制软件。

3.2 下位机控制固件

下位机控制固件是Arduino mega 2560主控板上的嵌入式系统。主要功能是处理打印数据，控制人机交互模块，控制步进电机运动、送料模块、温度控制等。可以将人对打印机的指令直接转化为打印机内部的代码指令。本次设计所采用的固件是基于Arduino平台的Marlin固件系统，因为开源系统便于改动固件里的大量代码，方便修改成符合本设计机械结构的固件，Marlin固件除了基本的三维打印功能外，还具有以下几个优点：①预加速功能，使得打印机在打弧线时速度更快、更流畅；②自动恒温，温度过采样，更好地控制挤出头温度；③支持拓展TFT触屏显示；④自动调平；⑤终止触发报告；⑥Delta运动学。