基于Arduino開發模塊的3D打印機驅動裝置研制

針對3D打印的基本需求，設計了基于開源開發系統設計了打印機硬件驅動裝置，提出了3D打印機驅動裝置設計方案。該方案基于開源的Arduino開發模塊，利用單片機ATMEGA328P-PU讀取三維掃描數據進而驅動步進電機進行精確步伐控制，再由核心控制器將需要打印的位置上留下熱容的打印材料并迅速冷凝定型。經實驗系統誤差已達到毫米級，可以滿足打印需求。

【關鍵詞】3D打印驅動 系統結構設計

3D打印是一種新型的基于數據模型的逐層打印速成技術，具有定制化程度高，打印成本低，成型速度快等特點。該技術是利用加熱裝置將耗材融化，再利用上位機驅動電機移動噴頭在相應位置將其噴出堆積并迅速凝固。經過數據分析并層層掃描融化堆積，可以制造出虛擬產品，根據客戶需求及其三維數據修正，即可生成個性化產品。

當前3D打印處于飛速發展階段，勢必對傳統工業造成沖擊，它變革了傳統制造工業中的機械加工和模具制造，直接可以用遠程數據庫中數據生成任何形狀物體并通過驅動電機在特定點噴射加熱的成型材料打印成型。這種方式極大地縮短了產品的生產周期，特別適合于產品創新、個性產品設計、醫療產品及藝術創作等，具有巨大的市場前景有效提高了生產率，具有制造工序簡潔、生產周期短，效率高成本低等優點。

本文針對目前日益增長的個性化3D打印裝置進行設計，扭轉了以往產高成本的不利因素，設計了3D打印機驅動裝置設計方案。該方案基于開源的Arduino開發模塊，利用單片機ATMEGA328P-PU讀取三維掃描數據進而驅動步進電機進行精確步伐控制，并通過打印噴頭進行打印，經過實驗，本裝置精度達毫米級。

1 3D打印機的工作原理

3D打印機又稱為三維打印機，是一種累積材料為基礎的制造快速成型技術，即快速成形技術的一種機器。3D打印機的原理是把數據和原料放進3D打印機中，通過數字模型文件運用特殊材料、粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，打印一層層的粘合材料來制造三維物體。

3D打印系統由控制端及3D打印機兩部分組成；其控制端具有對數據模型的格式轉換、處理及輸出控制指令等功能。上位機工作流程見圖1。

為了保證3D打印的順利進行，需要確定數據模型的大小是否在打印機的工作范圍內，如果超出了打印機的最大工作范圍，需要進行調整。本項目利用3D slic3r軟件將數據模型進行逐層切片處理，將其轉換為打印機可以識別的Gcode指令代碼，打印機接收代碼順序執行之后便可以將數據模型實體化。

2 3D打印控制系統硬件設計

3D打印機控制系統是整個打印系統的核心，由無線數據傳輸模塊，主控模塊，步進電機驅動模塊，3D打印噴頭控制模塊等組成。有控制系統完成對指令的解析，控制協調整個系統的工作及對主控端的反饋。其硬件框圖見圖2。

本方案采用開源的Arduino開發模塊作為主控模塊，將控制程序greb燒錄入芯片中，負責解析控制代碼并與各個模塊協同工作完成打印任務；步進電機驅動系統負責驅動步進電機根據指令完成工作；藍牙傳輸模塊負責打印控制系統與主控端之間的數據與指令傳輸；3D打印噴頭控制模塊負責控制3D打印噴頭開關及擠出速率；供電模塊負責整個系統穩定的供電。

其中包含：

（1）藍牙無線傳輸模塊。主控端與3D打印機之間傳輸指令時，為提高傳輸效率與方便性，添加了藍牙無線傳輸模塊，以實現數據無線傳輸功能。本項目采用FBT06型號的藍牙模塊，進行匹配后便可以通過串口通訊進行主控端與3D打印控制系統之間的無縫數據連接。

（2）步進電機驅動模塊。為了實現噴頭在三維坐標內的準確移動，本系統采用三個步進電機驅動構成X、Y、Z三維坐標系，由主控芯片及步進電機驅動系統完成控制。本系統采用TB6600步進電機驅動芯片實現對步進電機的控制，本項目采用了步進電機的共陰極接法。

（3）Quectel EC20 4G模塊。通過添加4G通信模塊，使得主控芯片可以通過4G移動網絡與服務器進行數據交換，來達到數據指令遠程傳輸的目的。

本項目的3D打印機機械系統由步進電機及其支撐結構，3D打印噴頭，打印基座等組成。通過支撐結構在三維平面內建立一個120mm×120mm×120mm的三維坐標系，通過三個步進電機驅動帶動噴頭及打印基座在三維平面內的移動，從而使3D打印噴頭及基座完成相對移動，完成打印工作。3D打印噴頭將熱熔的3D打印材料勻速擠出，三個步進電機驅動完成與基座的相對移動。

按照原理，設計好的實物圖如圖3所示：左側為打印筆，右側為控制電路，當打印啟動時，控制電路通過步進電機控制打印筆的移動方向，在所需要的位置上融化打印耗材并迅速凝固成型。

3 打印精度系統測試

為了測試本裝置的穩定性，通過實驗進行測試。打印筆打印其走行軌跡剖面圖如圖4所示，其中紅色線代表需要打印成型，而藍色線代表抬筆不打印。

按照設定好的模型，測試其數據的準確程度，如表1所示，其中打印筆信號分為0（工作信號）、3（啟動信號）、5（停止信號）；噴涂材料為1表示此點位打印材料輸出；X、Y、Z表示移動三維坐標；移動速度表示步進電機傳動噴頭的工作速率。

本裝置誤差主要來源于X、Y、Z坐標動軸，由于步進電機驅動時，采用螺旋推進結構的動軸旋差較大，以致產生驅動誤差，其中X軸為平均0.113mm，Y軸平均誤差為0.2mm，均在毫米級。

4 結論

針對3D打印的基本需求，本文設計了基于開源的Arduino開發模塊的打印機硬件驅動裝置，提出了3D打印機驅動裝置設計方案。利用單片機ATMEGA328P-PU讀取三維掃描數據進而驅動步進電機進行精確步伐控制，再由核心控制器將需要打印的位置上留下熱容的打印材料并迅速冷凝定型。經實驗系統誤差已達到毫米級，可以滿足打印需求。

（通訊作者：何東鋼）

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作者簡介

李響（1983-），男，遼寧省沈陽市人。碩士學位。現為大連海洋大學信息工程學院講師，主要從事電子電路設計與檢測。

何東鋼（1972-），女，遼寧省大連市人。碩士學位。現為大連海洋大學信息工程學院高級實驗師，主要從事計算機控制設計。

作者單位

大連海洋大學信息工程學院 遼寧省大連市 116023