基于APP的3D打印機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

黃文柯+王凌增+崔家園+路璐

【摘要】 針對當(dāng)前3D打印機打印控制為通訊電纜有線方式的情況，本文基于3D打印機與移動終端設(shè)備無線連接的技術(shù)方案，通過在3D打印機搭載WiFi模塊后，使手機APP具有控制3D打印機的打印功能。通過對基于APP的3D打印機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)，改善了3D打印機打印方式；通過合理選擇3D打印機組成器件，降低了3D打印機的制造成本，為3D打印機的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】 3D打印機 無線打印 APP WiFi

一、研究背景

目前，市場上主流的3D打印機性能不錯，打印精度高——產(chǎn)品達到預(yù)期效果。但在使用和應(yīng)用上仍存在一些問題，首先是使用不方便，每次打印都要使用通訊電纜連接，如果要實現(xiàn)無線打印，則要付出更為昂貴的代價；其次3D打印機價格昂貴，不利于廣泛應(yīng)用。因而自制一臺價格低廉的具有APP功能的3D打印機就有著重要的應(yīng)用價值。為此我們重點從以下方面開展工作：

（1）成本因素：對于普通個體用戶來說，3D打印機的使用成本仍然很高。因為市場上的3D打印機的價格不菲，而自制一臺價格相對來說會便宜一些且具有較高實用性的3D打印機會顯得非常有價值。

（2）設(shè)計自由：3D打印能給人們巨大的生產(chǎn)自由度。人們可以高度自由地想象物品的外形，然后通過STL數(shù)據(jù)文件格式通過3D打印生成。

（3）打印靈活：在實際生活中，人們會更想把一個過程變得趨于簡單化。因此，從有線網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上衍生出了無線網(wǎng)絡(luò)。打印機也是如此，數(shù)據(jù)線的連接顯得繁雜瑣碎，拋開有線的連接，采用基于APP的WiFi連接方式會顯得更加便利一些。

綜上所述，我們自制一臺價格低廉的具有APP功能的3D打印機就有著重要的應(yīng)用價值。

二、3D打印機原理說明

3D打印技術(shù)是指在實際打印過程中，以STL文件為代表的數(shù)據(jù)文件為基礎(chǔ)，通過X.Y.Z軸的移動并同時擠出熔化的可粘合材料來逐層打印粘合物來制造三維產(chǎn)品。熔化的可粘合材料由擠出頭管道送出，其打印過程在加熱床上完成，擠出頭和加熱床需保持一定溫度，以保證材料不會瞬間凝固其上，導(dǎo)致堵塞和影響打印精度，其中溫控系統(tǒng)負責(zé)控制溫度恒定。

三、3D打印機硬件設(shè)計

3D打印機主要由外形體、驅(qū)動系統(tǒng)、WiFi模塊、加熱系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)等五個主要部分組成。

（1）外形體采用龍門式，利于加工各種形狀器件；

（2）驅(qū)動系統(tǒng)采用兩相四線42系列步進電機和A4988驅(qū)動芯片ramps1.4+mega2560電機控制驅(qū)動板；

（3）APP功能中WiFi模塊則采用Rm04作為主控芯片；

（4）加熱系統(tǒng)中加熱元件主要為加熱棒和加熱床；

（5）溫控系統(tǒng)主要分為溫度控制器和溫度檢測元件兩部分。

3.1外形體支架的形體選擇

在設(shè)計固定支架過程中，我們考慮了市場上多種固定支架形式，其中主流有長方體、三角洲結(jié)構(gòu)、龍門式等。由于我們是手工制作，更注重打印時候的整體穩(wěn)定性，因此我們采用了龍門式支架，而且更加節(jié)省材料。

3.2驅(qū)動系統(tǒng)步進電機及其芯片、控制驅(qū)動板的選擇

3D打印機是通過步進電機驅(qū)動電路控制X.Y.Z這三個軸的原點和運動相對位移量來實現(xiàn)三維打印。所以，我們在這三個軸上安裝了步進電機及其驅(qū)動電路和履帶。至于步進電機，選擇兩相四線42系列；驅(qū)動芯片：最大有16細分的A4988，其最大輸出電流為2A。至于電機控制驅(qū)動板，則是采用ramps1.4+Arduino mega2560來進行驅(qū)動，電路圖如圖1、圖2所示。

3.3 APP功能中WiFi模塊選擇

通過搭載以Rm04為主控芯片的WiFi模塊，將移動端的數(shù)據(jù)文件存儲到SD卡中，打印數(shù)據(jù)存儲完之后，控制器接收到打印命令后開始打印，主控芯片電路圖如圖3所示。

3.4加熱系統(tǒng)中加熱元件及其工作原理

（1）加熱棒

加熱棒中的螺旋電熱絲與引出棒位于金屬護套管的中央，螺旋電熱絲穿在無縫金屬管內(nèi)，間隙處均勻填充著導(dǎo)熱且絕緣的氧化介質(zhì)，經(jīng)過壓縮使氧化物介質(zhì)密實后，空氣與之隔絕，而且中心位置不會偏移碰到管壁。這樣，發(fā)熱量就大幅增加，并延長了使用壽命。

（2）加熱床

加熱床是不可或缺的部分，實際工作時，要維持一定溫度以免擠出的材料與工作臺接觸時因溫差太大，材料發(fā)生形變影響產(chǎn)品質(zhì)量。因此，在工作前要先對加熱床進行適當(dāng)加熱保證材料成型的穩(wěn)定性。

3.5 溫控系統(tǒng)及其工作原理

溫度控制器和溫度檢測元件所構(gòu)成了3D打印機的溫控系統(tǒng)。兩路溫度傳感器通過CPU片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換通道分別檢測擠出頭和熱床溫度，CPU兩路數(shù)字信號輸出分別控制擠出頭和熱床加熱電路的NMOS功率開關(guān)管，結(jié)合溫度傳感器來控制擠出頭和熱床溫度。在實際打印過程中，要維持擠出頭和熱床溫度基本不變。打印材料不同，保持的溫度值也大不相同。在電路中溫度檢測這一步驟，MAX6675數(shù)字溫度轉(zhuǎn)換芯片先讀取熱敏電阻的溫度再轉(zhuǎn)換為十進制量，最后由Mega2560讀出。擠出頭和熱床溫度可根據(jù)具體使用環(huán)境確定實際溫度值[1]。圖34所示為測溫電路圖。

四、3D打印機、手機、平板端APP軟件設(shè)計

移動終端的APP應(yīng)用程序主要實現(xiàn)以下功能：選擇并確認3D打印數(shù)據(jù)文件、3D打印機的工作狀態(tài)顯示以及打印機是否已連接WiFi等。APP通過WiFi讀取終端STL格式文件，顯示并設(shè)置設(shè)備的擠出頭/接收頭溫度、熱床溫度、所用材料類型及使用量。圖5為基于APP的3D打印控制方案。

4.1 3D打印機軟件設(shè)計

3D打印機軟件工作流程如圖6所示。

4.2 手機、平板端APP軟件設(shè)計

圖7為手機、平板端APP軟件設(shè)計頁面。

五、 結(jié)語

手機、平板電腦等移動設(shè)備終端已經(jīng)成為了日常必備品，這些產(chǎn)品都帶有WiFi無線傳輸功能。本文分析基于APP的3D打印機利用移動端APP來實現(xiàn)通過WiFi控制3D打印機，進行打印對象的選擇、傳輸及打印控制。有了WiFi操作，3D打印機就不再局限于電腦操作，使用更方便靈活；通過節(jié)省了成本。在今天，3D打印被越來越多的人所認識所接受，它顛覆了傳統(tǒng)，釋放了人們超凡想象力，重新定義了“制造”和“智造”概念。未來人們可以隨心所欲地在家打印出自己想要的東西。在消費電子、航空和汽車制造等行業(yè)，3D打印可以較低的成本和較高效率生產(chǎn)小批量的定制部件，完成復(fù)雜而精細的造型；在醫(yī)療領(lǐng)域，3D打印被用于制作人體器官的替換材料等。精密化、智能化、通用化以及便捷化是3D打印機的未來發(fā)展方向。

參 考 文 獻

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