關(guān)于消費(fèi)級(jí)3D打印機(jī)的研究

郭澤揚(yáng) 蔡奕濱 羅澤鴻

摘 要 3D打印技術(shù)出現(xiàn)于20世紀(jì)90年代中期，距今已有近三十年的歷史，在第三次工業(yè)革命的推波之下，3D打印技術(shù)趨于成熟，其擁有的節(jié)能減材、快速精準(zhǔn)等技術(shù)特性，逐漸吸引著人們的眼球。探討降低3D打印機(jī)制造成本、學(xué)習(xí)成本，使3D打印機(jī)融入社會(huì)各界中去，高度契合我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略方針。本文將探討如何降低3D打印機(jī)制造成本以及使用成本，打破3D打印機(jī)價(jià)格昂貴、操作復(fù)雜、普通人難以接觸的局限，推廣至教學(xué)領(lǐng)域以及普通消費(fèi)領(lǐng)域，讓3D打印平民化。

關(guān)鍵詞 3D打印;降低成本;教學(xué)領(lǐng)域及普通消費(fèi)領(lǐng)域

引言

近年來，3D打印越發(fā)受到人們的關(guān)注，3D打印也不負(fù)眾望，能打印的材質(zhì)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(jìn)入每個(gè)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(jià)格昂貴，學(xué)習(xí)打印軟件的使用、3D打印機(jī)的校準(zhǔn)也是一大難題。種種問題使得3D打印機(jī)在普通消費(fèi)領(lǐng)域和教育領(lǐng)域不受歡迎。為使3D打印機(jī)進(jìn)入普通人的視野中去，應(yīng)該做到價(jià)格便宜且不失精度，軟件操作界面相對(duì)簡潔，機(jī)器自動(dòng)校準(zhǔn)各種參數(shù)等，本文主要探討以上三個(gè)方向的可行性，擬制作出一款成本低、精度高、體積小巧、穩(wěn)定可靠的3D打印機(jī)。讓3D打印機(jī)走進(jìn)學(xué)生的課內(nèi)、課外生活中去，提升學(xué)生的動(dòng)手能力以及學(xué)習(xí)能力，給予學(xué)生更多展現(xiàn)自我的機(jī)會(huì)。近幾年一些經(jīng)濟(jì)型的3D打印機(jī)的銷量也證明了3D打印機(jī)走進(jìn)校園成為可能。

13D打印機(jī)原理及結(jié)構(gòu)

1.1 基礎(chǔ)工作原理

3D打印有許多不同的打印技術(shù)，但都采用了離散——堆積成型原理[1]，不同打印材料一般會(huì)選擇相應(yīng)的打印技術(shù)以達(dá)到最優(yōu)解，同時(shí)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(fù)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(shù)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(jié)）、LOM（分成實(shí)體制造）、DLP（數(shù)字光處理）、FFF（熔絲制造）、EMB（電子束熔化成型）技術(shù)。本項(xiàng)目主要探討如何制造出成本較低且精度相對(duì)較高、面向普通消費(fèi)者的3D打印機(jī)，所以將采用FDM材料，選用FMD或FFF打印技術(shù)支持[2-3]。

3D打印系統(tǒng)可分為上位機(jī)及3D打印機(jī)兩個(gè)部分，上位機(jī)主要完成3D建模設(shè)計(jì)以及模型的三維切片，而3D打印機(jī)則是根據(jù)控制指令驅(qū)動(dòng)噴頭按照規(guī)劃好的路徑進(jìn)行逐層打印，最終完成3D打印任務(wù)。具體流程見圖1。

3D打印前需要先進(jìn)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(yōu)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(xué)者和學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)。因此，符合本項(xiàng)目降低學(xué)習(xí)成本目標(biāo)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(duì)3D模型進(jìn)行切片處理，所謂的切片，意思是將3D模型切割成多個(gè)截面，并規(guī)劃好3D打印機(jī)XYZ軸行走路徑以及擠出機(jī)的擠出量，保存為能被打印機(jī)識(shí)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(qiáng)大的切片軟件，且操作簡單，能夠自動(dòng)進(jìn)行模型準(zhǔn)備，模型切片，其中Repetier Host使用更為便捷、易于設(shè)置，且能夠手動(dòng)調(diào)試，能用于沒有顯示器的設(shè)備上，是非常值得學(xué)習(xí)的一款軟件。

一切準(zhǔn)備好后，點(diǎn)擊打印，打印機(jī)接收到指令后，即可根據(jù)指令從下到上按順序逐層打印，經(jīng)過一段時(shí)間后，打印機(jī)最終會(huì)打印出建模軟件里一樣的實(shí)物出來，3D打印操作流程見圖2[4-5]。

其實(shí)，3D打印機(jī)在打印模型前是不能直接打印的，需要先進(jìn)行調(diào)平校準(zhǔn)。首先，需要對(duì)熱傳版進(jìn)行水平調(diào)整，也就是水平構(gòu)建表面，隨后正確調(diào)整表面與噴嘴的距離，這一校準(zhǔn)過程非常重要，直接影響了打印成功率，但是調(diào)節(jié)過程非常煩瑣，若是能做到全自動(dòng)校準(zhǔn)，3D打印機(jī)的使用難度將大大降低。我們可以將熱床板與基于單片機(jī)的水平儀相連接，而噴頭可接入紅外測距模塊，將設(shè)置好的各類場景不同情況的代碼燒入單片機(jī)中，即可自動(dòng)調(diào)平校準(zhǔn)，后期可根據(jù)實(shí)際情況與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)再增加不同的校準(zhǔn)模塊，以達(dá)到更加智能化的校準(zhǔn)體驗(yàn)。

要想降低3D打印的學(xué)習(xí)成本，整合各類3D打印軟件并對(duì)其簡化優(yōu)化處理，是一種不錯(cuò)的選擇，比如，可以設(shè)計(jì)一個(gè)按流程“一步一腳印”式引導(dǎo)人們進(jìn)行操作，需要運(yùn)用到哪一步驟的軟件進(jìn)行操作時(shí)將自動(dòng)提示操作流程，操作失誤時(shí)自動(dòng)報(bào)錯(cuò)并提示錯(cuò)誤點(diǎn)，最大化實(shí)現(xiàn)簡單的3D打印操作流程，以達(dá)到本項(xiàng)目目標(biāo)。預(yù)想流程圖見圖3。

1.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)

3D打印機(jī)是實(shí)現(xiàn)3D打印的執(zhí)行者，它分別由步進(jìn)電機(jī)、擠出機(jī)、熱床、單片機(jī)、滑軌等部件組成，在X、Y、Z 3個(gè)不同直線方向上建立一個(gè)150*150*180mm的三維坐標(biāo)系，通過3個(gè)42步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)同步帶輪和螺絲桿的移動(dòng)，使噴頭在3mm的誤差內(nèi)于三維空間內(nèi)移動(dòng)。而擠出機(jī)由1個(gè)42步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，負(fù)責(zé)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(jī)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?yàn)橐话愕?D打印機(jī)組裝難度不低，需要各種型號(hào)的螺絲以及角件進(jìn)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(jìn)行安裝，不利于普及到教學(xué)領(lǐng)域以及普通消費(fèi)領(lǐng)域的目標(biāo)。我們可以化繁為簡，在原有3D打印機(jī)的基礎(chǔ)上，將復(fù)雜的3D打印機(jī)整體模塊化，比如，重新設(shè)計(jì)骨架，將骨架與各類固定板進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，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(jù)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(dá)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(shí)現(xiàn)簡潔明朗的設(shè)計(jì)。

1.3 3D打印控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本方案采用Arduino Mega2560 R3改進(jìn)版單片機(jī)作為主控，即3D打印機(jī)的“大腦”、控制系統(tǒng)的核心。在接受切片軟件發(fā)送的Gcode指令并解析后，控制電機(jī)按照規(guī)劃好的路線移動(dòng)，完成打印。控制系統(tǒng)硬件框圖見圖4[6]。

為在有限大小內(nèi)最大利用空間，X、Y、Z軸末端都會(huì)安裝限位傳感器，確定電機(jī)移動(dòng)的最大范圍;電機(jī)需要搭配電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，來負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)電機(jī)傳送噴頭進(jìn)行預(yù)定軌跡的移動(dòng);WIFI模塊用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)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(diào)節(jié)控制，使噴頭溫度處于預(yù)定溫度設(shè)定值并持續(xù)保持恒溫狀態(tài);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(xù)附著在熱床上。

噴頭溫度控制模塊。因?yàn)闊崛蹟D壓快速成型技術(shù)對(duì)溫度的控制要求嚴(yán)格，噴頭出絲溫度需要一直處于設(shè)定的溫度范圍內(nèi)并保持相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，不能有大幅度的溫度跳動(dòng)，這時(shí)便需要一個(gè)溫度控制模塊進(jìn)行制約及調(diào)控，讓噴頭能夠正常進(jìn)行工作。熱床溫度控制模塊也是采用類似的方法實(shí)現(xiàn)。

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(jī)，為提高操作簡易性，通過WIFI模塊的無線傳輸，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。可使用低功耗EMW3162串口WIFI模塊，通過接入特定SSID號(hào)的WIFI網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)與WIFI數(shù)據(jù)的無縫傳輸。

電機(jī)控制模塊。為了實(shí)現(xiàn)噴頭能夠精準(zhǔn)定位，通過X、Y、Z不同軸方向不同電機(jī)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(jī)控制模塊對(duì)不同電機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)。42步進(jìn)電機(jī)由A4988芯片進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，可以讓噴頭以不同速度實(shí)現(xiàn)移動(dòng)的效果。

紅外測距模塊、水平調(diào)節(jié)模塊。為達(dá)到全自動(dòng)校準(zhǔn)的目的，在噴頭、熱床上安裝紅外測距模塊、水平調(diào)節(jié)模塊可以獲取3D打印機(jī)的各種數(shù)據(jù)，以便達(dá)到在設(shè)定值內(nèi)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)的目的。后期，可根據(jù)實(shí)際情款增加不同種類的傳感器模塊實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)的校準(zhǔn)。

2結(jié)束語

學(xué)習(xí)3D建模、3D打印能夠鍛煉人的動(dòng)手能力以及思維能力，其作為一項(xiàng)技能，在學(xué)生時(shí)代學(xué)習(xí)并掌握還能為未來工作提供更多的選擇。而3D打印機(jī)，是3D建模變?yōu)閷?shí)物的載體，降低整體價(jià)格以及學(xué)習(xí)成本是讓其融入學(xué)生、普通人生活的很好途徑。

參考文獻(xiàn)

[1] 柳建.3D打印行業(yè)國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2015（3）：17-20.

[2] 劉曉輝.快速成型技術(shù)發(fā)展綜述[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2008（2）： 10-13.

[3] 夏卿坤.快速成型技術(shù)[J].長沙大學(xué)學(xué)報(bào)，2005（5）：94-98.

[4] 程永強(qiáng)，湯志忠，陶品.嵌入式軟硬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理， 2011，28（2）：32-33.

[5] 譚大為.開放的嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2013， 30（12）：141-145.

[6] 楊亮.基于嵌入式平臺(tái)3D打印機(jī)研制[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2015， 32（12）：90-92.

作者簡介

郭澤揚(yáng)（1999-），男，廣東潮州人;畢業(yè)院校：廣東東軟學(xué)院，專業(yè)：電子信息工程，學(xué)歷：本科，現(xiàn)就職單位：廣東東軟學(xué)院，研究方向：嵌入式。

蔡奕濱（1999-），男，廣東汕頭人;畢業(yè)院校：廣東東軟學(xué)院，專業(yè)：電子信息工程，學(xué)歷：本科，現(xiàn)就職單位：廣東東軟學(xué)院，研究方向：嵌入式。

羅澤鴻（2000-），男，廣東清遠(yuǎn)人;畢業(yè)院校：廣東東軟學(xué)院，專業(yè)：電子信息工程，學(xué)歷：本科，現(xiàn)就職單位：廣東東軟學(xué)院，研究方向：嵌入式。