關于消費級3D打印機的研究

郭澤揚 蔡奕濱 羅澤鴻

摘 要 3D打印技術出現于20世紀90年代中期，距今已有近三十年的歷史，在第三次工業革命的推波之下，3D打印技術趨于成熟，其擁有的節能減材、快速精準等技術特性，逐漸吸引著人們的眼球。探討降低3D打印機制造成本、學習成本，使3D打印機融入社會各界中去，高度契合我國可持續發展戰略方針。本文將探討如何降低3D打印機制造成本以及使用成本，打破3D打印機價格昂貴、操作復雜、普通人難以接觸的局限，推廣至教學領域以及普通消費領域，讓3D打印平民化。

關鍵詞 3D打印;降低成本;教學領域及普通消費領域

引言

近年來，3D打印越發受到人們的關注，3D打印也不負眾望，能打印的材質多種多樣，精度也在不斷增加。如今，人們甚至在研究3D打印人體器官的可行性。但是，3D打印離進入每個普通人的生活還有一定的距離，其主要的原因是入門門檻高，不僅價格昂貴，學習打印軟件的使用、3D打印機的校準也是一大難題。種種問題使得3D打印機在普通消費領域和教育領域不受歡迎。為使3D打印機進入普通人的視野中去，應該做到價格便宜且不失精度，軟件操作界面相對簡潔，機器自動校準各種參數等，本文主要探討以上三個方向的可行性，擬制作出一款成本低、精度高、體積小巧、穩定可靠的3D打印機。讓3D打印機走進學生的課內、課外生活中去，提升學生的動手能力以及學習能力，給予學生更多展現自我的機會。近幾年一些經濟型的3D打印機的銷量也證明了3D打印機走進校園成為可能。

13D打印機原理及結構

1.1 基礎工作原理

3D打印有許多不同的打印技術，但都采用了離散——堆積成型原理[1]，不同打印材料一般會選擇相應的打印技術以達到最優解，同時各類材料的打印成本也不同。3D打印材料一般有SL（光敏樹脂復合材料）、SLS（高分子、石蠟、陶瓷粉末材料）、LOM（陶瓷、紙材）、FDM（熔絲線材、熱塑性材料）工藝成型材料，而3D打印技術則主要有FDM（熔融沉積快速成型）、SLA（光固化成型）、3DP（三維粉末粘接）、SLS（選擇性激光燒結）、LOM（分成實體制造）、DLP（數字光處理）、FFF（熔絲制造）、EMB（電子束熔化成型）技術。本項目主要探討如何制造出成本較低且精度相對較高、面向普通消費者的3D打印機，所以將采用FDM材料，選用FMD或FFF打印技術支持[2-3]。

3D打印系統可分為上位機及3D打印機兩個部分，上位機主要完成3D建模設計以及模型的三維切片，而3D打印機則是根據控制指令驅動噴頭按照規劃好的路徑進行逐層打印，最終完成3D打印任務。具體流程見圖1。

3D打印前需要先進行3D建模，一般采用3Dmax、Proe、Solidworks、UG、AutoCAD等電腦軟件，其中Soidworks最大的優勢在于操作相較其他建模軟件命令更加簡潔且直觀，適合初學者和學生進行學習。因此，符合本項目降低學習成本目標的Soidwork是最推薦的軟件。

建模完成后保存為STL或SLA等文件格式。接下來便需要利用切片軟件對3D模型進行切片處理，所謂的切片，意思是將3D模型切割成多個截面，并規劃好3D打印機XYZ軸行走路徑以及擠出機的擠出量，保存為能被打印機識別出的格式文件。常見的切片軟件有Cura、S3d、Repetier Host等，這三款軟件都是非常強大的切片軟件，且操作簡單，能夠自動進行模型準備，模型切片，其中Repetier Host使用更為便捷、易于設置，且能夠手動調試，能用于沒有顯示器的設備上，是非常值得學習的一款軟件。

一切準備好后，點擊打印，打印機接收到指令后，即可根據指令從下到上按順序逐層打印，經過一段時間后，打印機最終會打印出建模軟件里一樣的實物出來，3D打印操作流程見圖2[4-5]。

其實，3D打印機在打印模型前是不能直接打印的，需要先進行調平校準。首先，需要對熱傳版進行水平調整，也就是水平構建表面，隨后正確調整表面與噴嘴的距離，這一校準過程非常重要，直接影響了打印成功率，但是調節過程非常煩瑣，若是能做到全自動校準，3D打印機的使用難度將大大降低。我們可以將熱床板與基于單片機的水平儀相連接，而噴頭可接入紅外測距模塊，將設置好的各類場景不同情況的代碼燒入單片機中，即可自動調平校準，后期可根據實際情況與實驗數據再增加不同的校準模塊，以達到更加智能化的校準體驗。

要想降低3D打印的學習成本，整合各類3D打印軟件并對其簡化優化處理，是一種不錯的選擇，比如，可以設計一個按流程“一步一腳印”式引導人們進行操作，需要運用到哪一步驟的軟件進行操作時將自動提示操作流程，操作失誤時自動報錯并提示錯誤點，最大化實現簡單的3D打印操作流程，以達到本項目目標。預想流程圖見圖3。

1.2 機械結構

3D打印機是實現3D打印的執行者，它分別由步進電機、擠出機、熱床、單片機、滑軌等部件組成，在X、Y、Z 3個不同直線方向上建立一個150*150*180mm的三維坐標系，通過3個42步進電機帶動同步帶輪和螺絲桿的移動，使噴頭在3mm的誤差內于三維空間內移動。而擠出機由1個42步進電機驅動，負責將打印材料以絲線狀通過噴頭擠出，使物體快速成型。通過各維度電機的配合，可以將打印材料放置在指定的位置上，最終完成作品的打印。

因為一般的3D打印機組裝難度不低，需要各種型號的螺絲以及角件進行固定，且固定板也是五花八門，未接觸過的普通人難以自主進行安裝，不利于普及到教學領域以及普通消費領域的目標。我們可以化繁為簡，在原有3D打印機的基礎上，將復雜的3D打印機整體模塊化，比如，重新設計骨架，將骨架與各類固定板進行一體化設計，且取消角件， 讓骨架與骨架之間的連接僅需簡單的拼接和固定，大大減少煩瑣的操作步驟，降低組裝難度。根據美觀的需求，可以在不同骨架上添加外殼，將不同方向且繁雜的電線隱藏在外殼之下，達到美觀的效果。在不影響正常打印，以及打印精度的情況下實現簡潔明朗的設計。

1.3 3D打印控制系統設計

本方案采用Arduino Mega2560 R3改進版單片機作為主控，即3D打印機的“大腦”、控制系統的核心。在接受切片軟件發送的Gcode指令并解析后，控制電機按照規劃好的路線移動，完成打印。控制系統硬件框圖見圖4[6]。

為在有限大小內最大利用空間，X、Y、Z軸末端都會安裝限位傳感器，確定電機移動的最大范圍;電機需要搭配電機驅動模塊，來負責驅動電機傳送噴頭進行預定軌跡的移動;WIFI模塊用于實現數據的遠程無線傳輸功能;噴頭控制模塊用于控制電熱管兩端的電壓以及溫度的調節控制，使噴頭溫度處于預定溫度設定值并持續保持恒溫狀態;熱床加熱模塊是控制熱床加熱并保持一定的溫度，使打印作品能夠持續附著在熱床上。

噴頭溫度控制模塊。因為熱熔擠壓快速成型技術對溫度的控制要求嚴格，噴頭出絲溫度需要一直處于設定的溫度范圍內并保持相對穩定的狀態，不能有大幅度的溫度跳動，這時便需要一個溫度控制模塊進行制約及調控，讓噴頭能夠正常進行工作。熱床溫度控制模塊也是采用類似的方法實現。

WIFI控制模塊。切片軟件生成Gcode文件后，需要將Gcode指令傳輸給3D打印機，為提高操作簡易性，通過WIFI模塊的無線傳輸，可實現數據的傳輸。可使用低功耗EMW3162串口WIFI模塊，通過接入特定SSID號的WIFI網絡，實現串口數據與WIFI數據的無縫傳輸。

電機控制模塊。為了實現噴頭能夠精準定位，通過X、Y、Z不同軸方向不同電機共同配合工作，讓噴頭能夠垂直于熱床逐層打印，需要通過電機控制模塊對不同電機進行統一協調。42步進電機由A4988芯片進行驅動，可以讓噴頭以不同速度實現移動的效果。

紅外測距模塊、水平調節模塊。為達到全自動校準的目的，在噴頭、熱床上安裝紅外測距模塊、水平調節模塊可以獲取3D打印機的各種數據，以便達到在設定值內實現自動調節的目的。后期，可根據實際情款增加不同種類的傳感器模塊實現更加精準的校準。

2結束語

學習3D建模、3D打印能夠鍛煉人的動手能力以及思維能力，其作為一項技能，在學生時代學習并掌握還能為未來工作提供更多的選擇。而3D打印機，是3D建模變為實物的載體，降低整體價格以及學習成本是讓其融入學生、普通人生活的很好途徑。

參考文獻

[1] 柳建.3D打印行業國內發展現狀[J].制造技術與機床，2015（3）：17-20.

[2] 劉曉輝.快速成型技術發展綜述[J].農業裝備與車輛工程，2008（2）： 10-13.

[3] 夏卿坤.快速成型技術[J].長沙大學學報，2005（5）：94-98.

[4] 程永強，湯志忠，陶品.嵌入式軟硬實驗設計[J].實驗技術與管理， 2011，28（2）：32-33.

[5] 譚大為.開放的嵌入式系統實驗平臺[J].實驗技術與管理，2013， 30（12）：141-145.

[6] 楊亮.基于嵌入式平臺3D打印機研制[J].實驗技術與管理，2015， 32（12）：90-92.

作者簡介

郭澤揚（1999-），男，廣東潮州人;畢業院校：廣東東軟學院，專業：電子信息工程，學歷：本科，現就職單位：廣東東軟學院，研究方向：嵌入式。

蔡奕濱（1999-），男，廣東汕頭人;畢業院校：廣東東軟學院，專業：電子信息工程，學歷：本科，現就職單位：廣東東軟學院，研究方向：嵌入式。

羅澤鴻（2000-），男，廣東清遠人;畢業院校：廣東東軟學院，專業：電子信息工程，學歷：本科，現就職單位：廣東東軟學院，研究方向：嵌入式。