基于嵌入式三维打印机设计

孙伟　卜凡　张子凯　丁学文　杨斐

摘 要：面对进口3D打印机价格过高，操作困难而不利于打印机技术推广的现状，本文在对3d打印机原理研究的基础上，设计了一种基于嵌入式三维打印机。本设计由打印机主体机、打印机软件控制系统、控制软件组成。其中打印机主体机通过接收，打印机控制系统通过WiFi模块接收并处理控制切片软件发过来的gcode文件，控制电机方向进行打印操作；控制软件对打印机进行远程控制，能够了解打印机运行状态并调整打印机运行参数。本设计利用铝材料在原有固定xyz结构打印机基础上，对 x轴、y轴、z轴的运动板块进行了改进，同时对挤出机，热床的组成进行改进。实际测试效果表明，本设计具有结构设计稳固、上机软件控制操作简单、使用便捷和价格制造低廉等特点。

关键词：3D打印；便捷；价格低廉；操作简单

中图分类号：TP316 文献标志码：A

0 引言

3D打印技术是新兴制造技术，在新兴制造产业为比较突出的技术。在国外3D打印技术冲击国内技术达不到的状况下，进口的3D打印机价格偏高成为必然现象。为了制作价格低廉、操作简便、稳定性强的打印机，让3D打印技术更快普及于国内，现设计一款嵌入式开源平台打印机。

3D打印立即成型技术有以下几种：立体光刻成型、选择性激光成型、熔丝堆积成型和叠层实体制造法。本设计采用熔丝堆积成型的方式，这种打印方式成本低，软件开源，学习简单，受到许多人的喜爱。这种3D打印方式注重的是设计和创新相结合，设计完成打印出来就是产品。这种加工方式与传统制造业产品加工相比，大大提高了制造效率，缩短了制造周期。本设计利用铝材作为主要材料，减少了机械抖动。操作方式变得简便，电脑上位机都可以对其进行指令的发送。本设计采用开源设计结构，拥有制造成本低、工作效率高、稳定性强和操作简单的优点。

1 三维打印机原理及主体机设计

1.1 基本工作原理

本设计利用熔丝堆积成型的方法，以模型转变为可识别的数字信号模型为基础，由复杂简单化的过程，将三维模型变成二维图片化平面，然后进行平面打印，一个一个打印平面叠加成为三维立体模型。打印完一层后紧接着打印第二层，每一层都叠加起来直至打印模型完成。本设计利用PLA材料熔点低能快速凝固成型的特点，通过挤出机控制丝量多少，送进加热头进行加热，挤出机通过挤出轮进行进料将已经融化的材料挤出，最后堆积成为设计模型产品。

整个3D打印机控制与操作系统分为硬件控制部分与软件信息处理控制部分，软件信息处理控制分为打印模型的设计，切片软件设置。硬件控制部分分为收到控制部分的信息处理，操控打印机主机部分进行工作，最后出来产品。操控系统的流程大致分为以下过程：

3D模型的设计是打印过程中必不可少的一部分，3D模型的设计一般采用常见的3D模型进行设计。常见的3D模型设计软件有3d max、AutoCAD、UG等等，所设计的模型要将保存的格式设为stl、sla，设计完成后对制作的模型进行初步的识别，设计尺寸不合格的要进行第二次修改大小的工作。设计模型要在打印范围内，不然会出现打印不完整的现象。如果超过打印尺寸，可以通过修改尺寸，然后再次进行切片工作。

三维模型通过切片工作进行平面参数，面积大小，层数多少测量。切片软件将设计3D模型转换成打印机控制系统可以识别数字信号命令，从而让打印机开始执行打印工作。具体工作流程是：切片软件根据用户选择的设置将stl格式的模型进行水平切割，得到一个个平面图，并计算打印机需要多少耗材及打印时间。然后将这些信息统一存入gcode文件，并发到用户的打印机控制系统。切片软件直接影响到最终产品的形态、表面光滑度等产品外观问题。当前slic3r，cura，simplify 3D等切片软件平台是比较常见的，本设计使用的是cura，適合于大众使用。页面简洁，基本只能看到常见的功能，对于3D打印机专家来说最多有超过200项参数要设置，且设置方便快捷，可以快速处理大型的STL文件。

切片完成后生成的gcode文件导入到控制系统，控制系统通过收到的gcode文件，然后按照gcode文件内的参数控制硬件进行打印。最后对模型是否按照gcode文件设置参数打印完成进行判断，如果打印完毕则停止打印机，回到原点。如果其中有突发状况，比如断电，打印机控制系统会记录最后打印位置，等待再次送电继续打印。

1.2 打印机主体结构

3D打印机主体由42步进电机、热床、挤出机加热模块，限位传感器等部件组成。最终的打印机主体可以打印250×250×250模型产品，通过42步进电机带动皮带带动挤出头进行打印工作。挤出机被按在在X轴路线上，通过同步带进行带动其左右移动打印。Y轴同样是一个42步进电机带动同步带，热床固定在同步带上，通过同步轮带动皮带进行移动热床进行打印作业。Z轴则是两个步进电机作业，两个42步进电机带动丝杆进行上下移动打印作业，安装丝杆同步滑轮，在光杆的辅助下进行上下的移动。

热床主要由玻璃板、铝板、PCB板、压力弹簧以及先关螺丝组成。PCB板的作用是加热模型底层，从而使模型快速凝固。PCB板上有一个温度传感器，用来测量上面温度是否在标准值内。铝板则放在PCD上面用来进行热传导，铝板上面是玻璃板用来放置打印模型器件。加热块上的温度传感器则是将加热头的温度实时的反馈，从而决定了熔丝速度，影响进出丝速度。限位传感器模块是限制步进电机运转多少的关键，直接影响了打印机最大打印范围的大小，到达最大范围时限位器给个电信号到控制系统，控制系统命令蜂鸣器会发出声音进行提醒。

挤出装置由挤出机和加热铝块两个模块组合而成。挤出机的任务是进行打印材料的推送，挤出机由挤出轮与轴承相结合组成。挤出轮和轴承相互作用是打印材料推送的关键，利用两者间对耗材的摩擦力带动耗材。轴承的使用为了减小耗材进入加热头过程中的阻力，控制耗材进入加热块的速度。挤压耗材的压力是挤压轮与轴承之间空隙大小决定的，通过调整挤压轮与轴承之间的距离可以调整压力的大小，可以通过耗材直径来决定这个空隙大小（2）。

加热块由铜制喷嘴，耐热喉管、加热棒、加热铝块、散热风扇和温度传感电阻组成。加热的温度由打印耗材所决定，PLA材料的耗材加热到190℃可以融化，abs材料则是200℃以上。在喷嘴流出的是加热后的材料，这些材料被后续通过挤出机挤出的耗材所推动流出。如果喷嘴处的散热不好就会出现几种常见情况：

（1）材料还未进入加热块就已经融化，使后续挤出机挤出耗材无法继续推送已经融掉的耗材。

（2）铜制喷嘴被挤出来的耗材刚刚出喷嘴就凝固成型，导致喷嘴无法继续出材料。

要解决这几种问题就要首先解决散热问题，所以在喷嘴处安一个散热风扇，能很大程度地解决散热问题，改善堵塞喷嘴的问题。

2 打印机控制系统设计

打印机控制系统由控制主板、液晶显示屏、数据传导线等部件组成（如打印机控制芯片主要部件图1所示）。控制系统相当于打印机的核心部件，通过WiFi模块接收控制切片软件发过来的gcode文件进行处理控制电机的方向，进行打印操作。

打印机控制系统采用32位arm处理器作为主要控制芯片，其中WiFi模块是进行与电脑控制软件链接使用。热床风扇固定在热床上面，热床风扇能有效地控制热床温度，还能促使挤出机挤出的熔融状态的丝快速凝固。限位传感器模块能够控制打印机最大的打印范围，USB传输模块与WiFi模块的作用相同，都是为了将控制软件与3d打印机控制系统连接。不同的是USB传输模块是用长长的传输线，WiFi模块则是通过电脑热点。热床模块能够对热床进行加热，加热到一定温度保持热床温度不再改变，能有效防止打印模型时模型出现的翘边现象。断电续打模块能够在突然断电的情况下记录打印位置，再次给电时打印机控制系统会回到断电时的位置继续加热打印模型，直至模型打印完毕。电源模块是提供稳定的12V电源供控制系统使用，SD卡模块是实现脱离电脑控制软件，由SD卡内的gcode文件直接控制整个控制系统进行使用，使用触摸显示屏进行文件选取并开始打印作业。

（1）液晶显示屏模块。液晶显示屏模块是本设计打印机进行脱机运行的必要器件，本模块要在SD卡模块内有sd卡的条件下进行使用。该模块在没有进行WiFi模块连接，没有进行USB连接时使用。可以通过该模块控制打印机系统所有部件的运转与停止，通过该模块选取SD卡内软件设计的gcode文件进行参数的设置。并且可以通过该模块选取建模软件设计的stl文件进行打印工作。

（2）电机控制模块。使用42步进电机的相互运动来实现带动挤出头的位置，最大工作额定温度可以达80℃，可以在室外环境温度 -20℃～50℃下工作。采用逐层打印的方式，所以x轴与y轴各有一个步进电机，带动挤出机运转。当打印完成一个完整的平面以后，z轴的两个步进电机会相应地转动相同的角度，将挤出头抬高，从而实现由平面到立体的过程。

WiFi控制模块。主要功能是打印机系统与打印机控制软件的连接，关系到电脑控制软件与手机APP是否能正常使用。WiFi模块的使用方法有：通过路由器进行连接使用，将电脑与打印机在同一环境下。利用笔记本电脑热点，在笔记本热点内使用。向SD卡内输入WiFi参数，由WiFi模块发射信号，电脑连接使用等方法。

3 控制软件设计

为了实现良好的控制连接3D打印机，上机控制软件通过WiFi模块实现远程控制，更新了先前使用连接线的方法（如控制软件流程图2所示）。控制软件能够了解打印机运行状态，能够调整打印机运行参数。打印机运行状态可以通过监视窗口直观看到。挤出机是控制材料速度，可以通过改变步进电机的脉冲，进行对步进电机快慢的调控，从而达到调控挤出机的效果，改变挤出机的材料挤出量。控制步进电机的脉冲是控制挤出机运动方向的条件，控制软件能够改变脉冲，控制x轴电机、y轴电机、z轴的电机的速度、方向等参数。加热喷头开始加热，加热到设置的温度后，打印机启动在开始位置运行。加热块对温度的要求比较严格，所以挤出机加热喷头有散热风扇和感温传感，控制挤出机风扇风速，从而改变加热块温度达到散热效果。热床也是到达一定温度保持不变，所以对温度的要求也比较高，热床上设有散热风扇与感温传感，能够对热床温度等参数进行控制。上机控制软件能够实现紧急停止功能，在打印错误紧急情况下的紧急停止，所有器件断电以防发生危险。能够进行实时监测，记录打印时间以及打印位置坐标，本设计打印机有断电续打模块，为其提供相应参考数据。

结语

本设计是基于嵌入式的3d打印机的设计，本设计的处理器是arm处理器，能够对打印机控制系统进行控制，并完成一系列的打印工作。软件控制操作简单，功能齐全，能够与打印机操作系统进行完美融合，适合于打印机技术的推广。本设计对打印机运行模块进行了改进，将3d打印机变得更加稳定。设计的打印机控制系统与控制软件，实现硬件主机与软件系统的通信交流。后期还需对输入设备进行调试，将扫描设备添加进来实现快速建模打印。

参考文献

[1]宋廷强，邢照合.一种彩色FDM型3D打印机的设计与实现[J].电子技术应用，2017，43（4）：69-71.

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[3]吴怀宇.3D打印：三维智能数字化创造（第3版）[M].北京：电子工业出版社，2017.

[4]郎为民，徐延军.一本书读懂3D打印[M].北京：人民郵电出版社，2016.

通信作者：丁学文。