基于嵌入式平台3D打印机研制

杨 亮, 傅 瑜, 邓春健, 宋喜佳

(1. 电子科技大学 中山学院, 广东 中山 528402; 2. 广东工业大学 自动化学院, 广东 广州 510006)

基于嵌入式平台3D打印机研制

杨 亮1,2, 傅 瑜1, 邓春健1, 宋喜佳1

(1. 电子科技大学 中山学院, 广东 中山 528402; 2. 广东工业大学 自动化学院, 广东 广州 510006)

针对目前日益增长的个性化3D打印需求，以及进口3D打印机成本较高、不利于广泛推广与应用的问题,提出了一种低成本、基于嵌入式平台3D打印机的设计方案,该设计方案由3D打印机本体、3D打印控制系统和上位机控制软件组成,其中上位机控制软件负责将事先建好的三维模型进行分析、切片,并生成G-code格式文件；3D打印控制系统负责接收、解析Gcode文件及转化为打印机可识别的控制指令以完成物体的快速成型。详细阐述了3D打印机各功能模块的具体实现,给出了相关功能的验证结果。实践表明该打印机具有成本低、精度高、控制效果好的优点。

3D打印； 快速成型； 嵌入式控制系统

以3D打印[1-3]技术为典型代表的新型制造技术已成为引领未来制造业的重要技术之一,作为快速成型[4-5]领域的一种新兴综合性应用技术,目前正成为一种迅猛发展的潮流并正在改变着传统制造业,它无需机械加工或模具,就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的物体,借助三维空间建模技术设计出立体的加工样式,并通过3D打印机用易于液化、粉末化、丝化的固体材料逐层“打印”出产品,从而极大地缩短了产品的生产周期,由于3D打印技术专注于产品形态创意和功能创新,在“设计即生产”、“设计即产品”的理念下大大扩展了新产品的创新空间,改变了过去“设计—试验—改进设计—工艺准备—生产制造”的模式,有效提高了生产率,具有制造工序简洁、生产周期短,效率高等优点,可广泛应用于产品原型、模具制造、医疗、艺术创作等诸多领域,具有巨大的市场前景。将3D打印快速成型技术引入高校理工类创新实训实践中,有利于进一步提高学生的动手能力,扩展学生视野,同时也为学生进行创新实验提供了有益思路。

尽管3D打印机具有快速成型、打印方便的优点,但目前3D打印机的售价比较高,动辄数十万元的成本影响并制约了3D打印机的普及。针对目前日益增长的个性化3D打印需求以及高成本导致的不利于广泛推广的问题,本文提出一种基于嵌入式[6-7]平台3D打印机设计方案,该方案采用开源的结构设计,具有成本低、精度高、控制效果好的优点。

1 3D打印原理及机械结构设计

1.1 基本工作原理

3D打印是一种快速成型技术,它以数字模型文件为基础,利用热熔材料熔点低、可快速成型的特点,通

过喷头加热以及挤出机的挤压,将打印材料以极细的丝状物形式挤出,根据事先设定好的工作路径逐层“打印”,得到最终的产品,其数据处理框图见图1。

图1 3D打印数据处理框图

整个3D打印系统分为上位机及3D打印机两部分,其中,上位机主要完成模型的设计以及模型的三维切片,3D打印机根据控制指令驱动喷头按指定路径逐层打印,最终完成3D打印任务,其具体打印流程见图2。

图2 3D打印流程图

3D模型是进行3D打印的基础,通常可采用AutoCAD等软件设计得到,并保存为STL[8]或SLA等文件格式。为顺利完成3D打印工作,还需要根据打印机的最大打印范围检查模型的大小是否在可打印的范围内,如果超出了3D打印机最大的打印范围则需重新修改尺寸。

为达到快速成型的效果,在3D打印前,需要利用切片软件对3D模型进行切片。所谓切片就是将物体分割成逐层的截面,在完成切片后,切片软件需要将切片后物体形状、尺寸等相关信息转化为3D打印机能够识别的Gcode[9]指令,以便打印机完成3D打印任务。目前常见的切片软件有Skeinforge、Slic3r、KISSlicer等,本项目采用开源的Slic3r软件完成切片任务。打印机接收到指令后,即可根据指令按从下而上的顺序逐层打印,最终把计算机上的“蓝图”变为实物。

1.2 机械结构设计

3D打印机的机械结构本体是最终完成3D打印的执行机构,它由步进电机、挤出机、零位传感器、热床等部件组成,整个3D打印机像是一个笛卡尔机器人,通过笛卡尔坐标系在X、Y、Z3个直线方向上建立一个220 mm×220 mm×120 mm的三维坐标系,通过4个精度为1.8°的42步进电机来带动同步带轮和螺丝杆的移动,其中Z方向有2个电机,X、Y方向各有1个电机,从而使喷头以毫米级的精度在3维空间上移动,并将打印材料热熔挤压成丝状放置在指定的位置,最终打印出实物,其机械结构示意图见图3[10]。

挤出机由一个电机驱动,负责将热熔后的打印材料以丝状物形式通过喷头挤出,以利于物体的快速成型；3个步进电机分别带动挤出机沿X、Y、Z轴移动。热床主要用于承载需打印的物品,由一块铝板、一块玻璃板和一块PCB电路板组成,它们的大小都为220 mm×220 mm×2 mm。PCB板的作用是通过加热电路将PCB板加热到设定的温度,并将热量通过铝板传递给玻璃板,而玻璃板则是放在最上层。打印时将热床自动加热到一定的温度,可防止打印时热塑材料翘曲或裂开,同时也让喷头在打印模型时更好地黏附在热床表面。

图3 3D打印机机械结构示意图

2 3D打印控制系统的设计

3D打印控制系统是整个打印机的核心,相当于打印机的“大脑”,在接收到切片软件发送过来的Gcode指令后,首先对指令进行解析,并控制电机沿指定路径移动、完成打印任务,控制系统硬件框图见图4。

图4 3D打印机控制系统硬件框图

本方案采用Mega2560作为主控芯片,其中零位传感器安装在X、Y、Z轴的末端,用于初始化坐标系,确定电机移动的最大范围；电机驱动模块负责驱动电机引导喷头按预设轨迹运动；WiFi模块主要用于实现数据的无线传输远程控制功能；喷头温度控制模块负责控制单头电热管两端的电压以实现温度的调节功能,使喷头温度达到预设值并保持恒定,以利于热熔材料的快速成型；热床加热模块实现原理与喷头温度控制模块类似,通过加热电路使热床具有一定的温度,使得打印物体能够更好地附着在热床上。

(1) 喷头温度控制模块。该模块是3D打印机的重要部件,热熔挤压快速成型工艺对温度的要求较严格,喷头出丝温度需要处于一定的温度范围内,且一旦设定温度控制值后,须保证其温度保持在平稳状态,不能产生较大的扰动,否则成型质量将受到影响。

本项目采用可再生、可堆肥降解PLA材料作为打印材料,其熔点为200 ℃,具有收缩率低、容易塑形、色彩艳丽的优点，通过改变单头电热管两端的电压以实现温度在线控制。为达到更好的温度控制效果,设计了PID控制器[11-12],其控制框图见图5。

图5 喷头温度控制框图

图5为闭环控制系统,通过温度传感器测量实际温度tr,并将预设的温度td与实际温度tr相减得到温度误差Δt作为反馈传输给控制器,再由PID控制器输出控制电压到单头加热管的两端调节温度,以满足3D打印的要求。

另外,热床加热模块也是采用类似的实现方式,在此不再赘述。

(2) WiFi接口模块。切片软件完成物体的三维切片并生成Gcode文件后,需要将Gcode指令传递给3D打印机。为提高易用性,增加了WiFi接口模块,以实现数据无线传输功能。本文采用EMW3162串口WiFi模块,该模块支持串口透明数据传输模式,通过串口将模块配置成客户端模式后,能够接入具有特定SSID号的WiFi网络,并实现串口数据与WiFi数据无缝透传。

(3) 电机控制模块。为实现喷头的准确定位,本文采用化繁为简的思路,将三维物体通过切片软件分割成N个二维平面,再控制电机完成物体的逐层打印,其具体实现为:在Z方向通过2个步进电机控制垂直方向的运动,实现逐层打印；在水平方向上,采用2个步进电机分别控制X、Y轴2方向上的运动,实现二维平面内的平面打印。

本文通过A4988芯片驱动4个步进电机,以达到控制喷头运动的目的。为实现电机速度的控制,采用定时器中断方式输出PWM,通过调整占空比控制电机的速度。

3 上位机控制软件的设计

为实现良好的人机接口,实现远程3D打印的功能,设计了具有良好跨平台特性的上位机控制软件,借助切片软件Slic3r开源的优点,通过调用Slic3r提供的API实现三维切片的功能,并将输出Gcode文件通过WiFi网络远程发送给3D打印机,实现打印机的远程控制功能,上位机软件界面见图6。

图6 上位机软件界面

通过界面设置3D打印机的IP地址及端口号与打印机建立连接后,点击载入按钮可加载STL文件,完成3D模型的切片后,点击“下载gcode指令到打印机”,即可将新生成的G-code文件发送给3D打印机，开始打印任务。打印过程中可以实时查看打印进度及参数,也可以预览打印物体的3D效果图。打印机实物见图7。

图7 3D打印机实物

本方案通过液晶显示及上位机软件可实时查询喷

头温度、位置坐标等信息,采用WiFi接入远程控制的方式极大提高了3D打印机使用的便利性。

本文研制的3D打印机目前已应用于本校学科竞赛及“嵌入式软件开发”等课程的综合课程实训中,学生可通过AutoCAD软件自行设计模型,完成创新性实验。试用结果表明,本方案研制的3D打印机极大的激发了学生的创造力。学生利用3D打印机“打印”的足球机器人车体见文献[13]。

4 结束语

大学电子信息类课程具有逻辑性强同时也相对晦涩难懂的特点[14],提供创新性实验平台,鼓励学生动手实践,突出设计方法、设计思路的养成有利于学生综合能力的提高[15]。本文设计的3D打印机设计能够实现远程3D打印的功能,具有成本低、控制效果好的优点,为学生进行创新性综合实验提供了有益思路。

References)

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Development of 3D printer based on embedded platform

Yang Liang1,2, Fu Yu1, Deng Chunjian1, Song Xijia1

(1. Zhongshan Institute, University of Electronic Science and Technology Guangdong, Zhongshan, 528402, China; 2. Faculty of Automation, Guangdong University of Technology, Guangzhou, 510006, China)

In view of the problems of high cost in the practical application of 3D printer and meeting the growing personalized demand for 3D printer, a practical low-cost solution of 3D printer based on embedded platform is proposed. This system consists of three parts including 3D printer mechanical body, control system and upper-computer software. After slicing 3D model into layers suitable for 3D printing, the upper-computer software generates the G-code file. Upon receiving G-code file, the control system parses the file and interprets these codes to control the printer for implementing the rapid prototyping of physical objects. The detailed explanation of each component of the proposed solution is given, and the experimental results validate the proposed solution. The practice has proved that the proposed solution of 3D printer has good control performance with the merits of low cost and high precision.

3D printing; rapid prototyping; embedded; control system

2015- 04- 16 修改日期：2015- 05- 27

全国教育信息技术研究“十二五”规划2013年度课题及子课题(136240994，136240994-0002);广东省教育科研“十二五”规划2012年度课题(2012JK004);广东省高等学校教学质量与教学改革工程项目“嵌入式应用型人才培养模式改革研究”；广东高校优秀青年创新人才培养计划项目(2013LYM0104);中山市科技计划项目(2013A3FC0278);电子科技大学中山学院质量工程项目(JY201421)

杨 亮(1980—)，男，江西婺源，硕士，讲师，研究方向为智能机器人系统与技术.

E-mail：alex_yangliang@foxmail.com

TP334.8

A

1002-4956(2015)12- 0089- 04