基于嵌入式平臺3D打印機研制

楊 亮, 傅 瑜, 鄧春健, 宋喜佳

(1. 電子科技大學 中山學院, 廣東 中山 528402; 2. 廣東工業(yè)大學 自動化學院, 廣東 廣州 510006)

基于嵌入式平臺3D打印機研制

楊 亮1,2, 傅 瑜1, 鄧春健1, 宋喜佳1

(1. 電子科技大學 中山學院, 廣東 中山 528402; 2. 廣東工業(yè)大學 自動化學院, 廣東 廣州 510006)

針對目前日益增長的個性化3D打印需求，以及進口3D打印機成本較高、不利于廣泛推廣與應用的問題,提出了一種低成本、基于嵌入式平臺3D打印機的設計方案,該設計方案由3D打印機本體、3D打印控制系統(tǒng)和上位機控制軟件組成,其中上位機控制軟件負責將事先建好的三維模型進行分析、切片,并生成G-code格式文件；3D打印控制系統(tǒng)負責接收、解析Gcode文件及轉化為打印機可識別的控制指令以完成物體的快速成型。詳細闡述了3D打印機各功能模塊的具體實現(xiàn),給出了相關功能的驗證結果。實踐表明該打印機具有成本低、精度高、控制效果好的優(yōu)點。

3D打??； 快速成型； 嵌入式控制系統(tǒng)

以3D打印[1-3]技術為典型代表的新型制造技術已成為引領未來制造業(yè)的重要技術之一,作為快速成型[4-5]領域的一種新興綜合性應用技術,目前正成為一種迅猛發(fā)展的潮流并正在改變著傳統(tǒng)制造業(yè),它無需機械加工或模具,就能直接從計算機圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的物體,借助三維空間建模技術設計出立體的加工樣式,并通過3D打印機用易于液化、粉末化、絲化的固體材料逐層“打印”出產(chǎn)品,從而極大地縮短了產(chǎn)品的生產(chǎn)周期,由于3D打印技術專注于產(chǎn)品形態(tài)創(chuàng)意和功能創(chuàng)新,在“設計即生產(chǎn)”、“設計即產(chǎn)品”的理念下大大擴展了新產(chǎn)品的創(chuàng)新空間,改變了過去“設計—試驗—改進設計—工藝準備—生產(chǎn)制造”的模式,有效提高了生產(chǎn)率,具有制造工序簡潔、生產(chǎn)周期短,效率高等優(yōu)點,可廣泛應用于產(chǎn)品原型、模具制造、醫(yī)療、藝術創(chuàng)作等諸多領域,具有巨大的市場前景。將3D打印快速成型技術引入高校理工類創(chuàng)新實訓實踐中,有利于進一步提高學生的動手能力,擴展學生視野,同時也為學生進行創(chuàng)新實驗提供了有益思路。

盡管3D打印機具有快速成型、打印方便的優(yōu)點,但目前3D打印機的售價比較高,動輒數(shù)十萬元的成本影響并制約了3D打印機的普及。針對目前日益增長的個性化3D打印需求以及高成本導致的不利于廣泛推廣的問題,本文提出一種基于嵌入式[6-7]平臺3D打印機設計方案,該方案采用開源的結構設計,具有成本低、精度高、控制效果好的優(yōu)點。

1 3D打印原理及機械結構設計

1.1 基本工作原理

3D打印是一種快速成型技術,它以數(shù)字模型文件為基礎,利用熱熔材料熔點低、可快速成型的特點,通

過噴頭加熱以及擠出機的擠壓,將打印材料以極細的絲狀物形式擠出,根據(jù)事先設定好的工作路徑逐層“打印”,得到最終的產(chǎn)品,其數(shù)據(jù)處理框圖見圖1。

圖1 3D打印數(shù)據(jù)處理框圖

整個3D打印系統(tǒng)分為上位機及3D打印機兩部分,其中,上位機主要完成模型的設計以及模型的三維切片,3D打印機根據(jù)控制指令驅動噴頭按指定路徑逐層打印,最終完成3D打印任務,其具體打印流程見圖2。

圖2 3D打印流程圖

3D模型是進行3D打印的基礎,通?？刹捎肁utoCAD等軟件設計得到,并保存為STL[8]或SLA等文件格式。為順利完成3D打印工作,還需要根據(jù)打印機的最大打印范圍檢查模型的大小是否在可打印的范圍內(nèi),如果超出了3D打印機最大的打印范圍則需重新修改尺寸。

為達到快速成型的效果,在3D打印前,需要利用切片軟件對3D模型進行切片。所謂切片就是將物體分割成逐層的截面,在完成切片后,切片軟件需要將切片后物體形狀、尺寸等相關信息轉化為3D打印機能夠識別的Gcode[9]指令,以便打印機完成3D打印任務。目前常見的切片軟件有Skeinforge、Slic3r、KISSlicer等,本項目采用開源的Slic3r軟件完成切片任務。打印機接收到指令后,即可根據(jù)指令按從下而上的順序逐層打印,最終把計算機上的“藍圖”變?yōu)閷嵨铩?/p>

1.2 機械結構設計

3D打印機的機械結構本體是最終完成3D打印的執(zhí)行機構,它由步進電機、擠出機、零位傳感器、熱床等部件組成,整個3D打印機像是一個笛卡爾機器人,通過笛卡爾坐標系在X、Y、Z3個直線方向上建立一個220 mm×220 mm×120 mm的三維坐標系,通過4個精度為1.8°的42步進電機來帶動同步帶輪和螺絲桿的移動,其中Z方向有2個電機,X、Y方向各有1個電機,從而使噴頭以毫米級的精度在3維空間上移動,并將打印材料熱熔擠壓成絲狀放置在指定的位置,最終打印出實物,其機械結構示意圖見圖3[10]。

擠出機由一個電機驅動,負責將熱熔后的打印材料以絲狀物形式通過噴頭擠出,以利于物體的快速成型；3個步進電機分別帶動擠出機沿X、Y、Z軸移動。熱床主要用于承載需打印的物品,由一塊鋁板、一塊玻璃板和一塊PCB電路板組成,它們的大小都為220 mm×220 mm×2 mm。PCB板的作用是通過加熱電路將PCB板加熱到設定的溫度,并將熱量通過鋁板傳遞給玻璃板,而玻璃板則是放在最上層。打印時將熱床自動加熱到一定的溫度,可防止打印時熱塑材料翹曲或裂開,同時也讓噴頭在打印模型時更好地黏附在熱床表面。

圖3 3D打印機機械結構示意圖

2 3D打印控制系統(tǒng)的設計

3D打印控制系統(tǒng)是整個打印機的核心,相當于打印機的“大腦”,在接收到切片軟件發(fā)送過來的Gcode指令后,首先對指令進行解析,并控制電機沿指定路徑移動、完成打印任務,控制系統(tǒng)硬件框圖見圖4。

圖4 3D打印機控制系統(tǒng)硬件框圖

本方案采用Mega2560作為主控芯片,其中零位傳感器安裝在X、Y、Z軸的末端,用于初始化坐標系,確定電機移動的最大范圍；電機驅動模塊負責驅動電機引導噴頭按預設軌跡運動；WiFi模塊主要用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸遠程控制功能；噴頭溫度控制模塊負責控制單頭電熱管兩端的電壓以實現(xiàn)溫度的調(diào)節(jié)功能,使噴頭溫度達到預設值并保持恒定,以利于熱熔材料的快速成型；熱床加熱模塊實現(xiàn)原理與噴頭溫度控制模塊類似,通過加熱電路使熱床具有一定的溫度,使得打印物體能夠更好地附著在熱床上。

(1) 噴頭溫度控制模塊。該模塊是3D打印機的重要部件,熱熔擠壓快速成型工藝對溫度的要求較嚴格,噴頭出絲溫度需要處于一定的溫度范圍內(nèi),且一旦設定溫度控制值后,須保證其溫度保持在平穩(wěn)狀態(tài),不能產(chǎn)生較大的擾動,否則成型質量將受到影響。

本項目采用可再生、可堆肥降解PLA材料作為打印材料,其熔點為200 ℃,具有收縮率低、容易塑形、色彩艷麗的優(yōu)點，通過改變單頭電熱管兩端的電壓以實現(xiàn)溫度在線控制。為達到更好的溫度控制效果,設計了PID控制器[11-12],其控制框圖見圖5。

圖5 噴頭溫度控制框圖

圖5為閉環(huán)控制系統(tǒng),通過溫度傳感器測量實際溫度tr,并將預設的溫度td與實際溫度tr相減得到溫度誤差Δt作為反饋傳輸給控制器,再由PID控制器輸出控制電壓到單頭加熱管的兩端調(diào)節(jié)溫度,以滿足3D打印的要求。

另外,熱床加熱模塊也是采用類似的實現(xiàn)方式,在此不再贅述。

(2) WiFi接口模塊。切片軟件完成物體的三維切片并生成Gcode文件后,需要將Gcode指令傳遞給3D打印機。為提高易用性,增加了WiFi接口模塊,以實現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸功能。本文采用EMW3162串口WiFi模塊,該模塊支持串口透明數(shù)據(jù)傳輸模式,通過串口將模塊配置成客戶端模式后,能夠接入具有特定SSID號的WiFi網(wǎng)絡,并實現(xiàn)串口數(shù)據(jù)與WiFi數(shù)據(jù)無縫透傳。

(3) 電機控制模塊。為實現(xiàn)噴頭的準確定位,本文采用化繁為簡的思路,將三維物體通過切片軟件分割成N個二維平面,再控制電機完成物體的逐層打印,其具體實現(xiàn)為:在Z方向通過2個步進電機控制垂直方向的運動,實現(xiàn)逐層打?。辉谒椒较蛏?采用2個步進電機分別控制X、Y軸2方向上的運動,實現(xiàn)二維平面內(nèi)的平面打印。

本文通過A4988芯片驅動4個步進電機,以達到控制噴頭運動的目的。為實現(xiàn)電機速度的控制,采用定時器中斷方式輸出PWM,通過調(diào)整占空比控制電機的速度。

3 上位機控制軟件的設計

為實現(xiàn)良好的人機接口,實現(xiàn)遠程3D打印的功能,設計了具有良好跨平臺特性的上位機控制軟件,借助切片軟件Slic3r開源的優(yōu)點,通過調(diào)用Slic3r提供的API實現(xiàn)三維切片的功能,并將輸出Gcode文件通過WiFi網(wǎng)絡遠程發(fā)送給3D打印機,實現(xiàn)打印機的遠程控制功能,上位機軟件界面見圖6。

圖6 上位機軟件界面

通過界面設置3D打印機的IP地址及端口號與打印機建立連接后,點擊載入按鈕可加載STL文件,完成3D模型的切片后,點擊“下載gcode指令到打印機”,即可將新生成的G-code文件發(fā)送給3D打印機，開始打印任務。打印過程中可以實時查看打印進度及參數(shù),也可以預覽打印物體的3D效果圖。打印機實物見圖7。

圖7 3D打印機實物

本方案通過液晶顯示及上位機軟件可實時查詢噴

頭溫度、位置坐標等信息,采用WiFi接入遠程控制的方式極大提高了3D打印機使用的便利性。

本文研制的3D打印機目前已應用于本校學科競賽及“嵌入式軟件開發(fā)”等課程的綜合課程實訓中,學生可通過AutoCAD軟件自行設計模型,完成創(chuàng)新性實驗。試用結果表明,本方案研制的3D打印機極大的激發(fā)了學生的創(chuàng)造力。學生利用3D打印機“打印”的足球機器人車體見文獻[13]。

4 結束語

大學電子信息類課程具有邏輯性強同時也相對晦澀難懂的特點[14],提供創(chuàng)新性實驗平臺,鼓勵學生動手實踐,突出設計方法、設計思路的養(yǎng)成有利于學生綜合能力的提高[15]。本文設計的3D打印機設計能夠實現(xiàn)遠程3D打印的功能,具有成本低、控制效果好的優(yōu)點,為學生進行創(chuàng)新性綜合實驗提供了有益思路。

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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

全國教育信息技術研究“十二五”規(guī)劃2013年度課題及子課題(136240994，136240994-0002);廣東省教育科研“十二五”規(guī)劃2012年度課題(2012JK004);廣東省高等學校教學質量與教學改革工程項目“嵌入式應用型人才培養(yǎng)模式改革研究”；廣東高校優(yōu)秀青年創(chuàng)新人才培養(yǎng)計劃項目(2013LYM0104);中山市科技計劃項目(2013A3FC0278);電子科技大學中山學院質量工程項目(JY201421)

楊 亮(1980—)，男，江西婺源，碩士，講師，研究方向為智能機器人系統(tǒng)與技術.

E-mail：alex_yangliang@foxmail.com

TP334.8

A

1002-4956(2015)12- 0089- 04