【摘 要】本课题旨在研究提供了一种 3D 打印机实现方案，从机械设计、固件选型、软件开发等方面进行阐述，降低设计成本，提高研发速度，具有较高的精度和速度。主要解决上位机与处理器一起控制打印喷头完成全方位3D打印问题，以铝型材框架为主体，以上位机控制两根牙条、同步带、打印喷头和钢化玻璃板热床台面移动以完成精确的打印。上位机分别控制三个方向的移动，步进电机散热风扇能有效防止堵头问题，外部的散热风扇能有效防止翘边问题。本课题的关键在于提高打印机速率和精确度，适用于小批量实物打印，在校学生可以通过对3D模型设计、制作切片、打印模型的操作，提高动手实践能力和工程加工意识。

【关键词】3D打印；Arduino；mega 2560；电机控制；温度控制；嵌入式开发

一、研究背景与现状

3D打印技术在欧美国家长达十多年的不断探索之下，已经发展的较为成熟，其多达二十四位色彩的彩色打印和高达25mm/h的垂直打印速率已经成功实现，在打印的精细程度方面，目前国际上较为先进的3D打印机可以保证在0.01mm的单层厚度上实现600dpi的分辨率[1]。

2015年2月，工信部、国家发改委及财政部联合发布了《国家增材制造产业发展推进计划（2015-2016年）》。这是首部以国家部委名义发布的增材制造产业发展计划，进一步明确了产业发展方向，将会引爆中国的3D打印市场。3D打印技术作为智能制造的分支，有助于提离经营效率和减少材料消耗。随着"中国制造2025"的发布，3D打印必将成为我国实现产业升级的核也技术之一[2]。

二、3D打印机原理

1.理论原理

3D打印技术是一种逐层制造技术，它采用离散/堆积成型原理，其过程是：先得到所需零件的计算机三维曲面或实体模型；然后根据工艺要求，将其按一定厚度进行分层，将原来的三维模型变成二维平面信息，即离散过程；再将分层后的数据进行一定的处理，加入加工参数，产生数控代码；在微机控制下，数控系统以平面加工方式，有序地连续加工出每个薄层，并使它们自动粘接而成型，从而制造出所需产品的实物样件或成品，这就是材料的堆积过程[3]。其制造过程如图1所示：

该3d打印机的空间架构由一个横着的矩形和一个树立的矩形组成，以此建一个3d打印控件[4]。以x轴为长，以y轴为宽，以z轴为高来进行计算，三个步进电机分别控制x/y/z轴，这样便可以打出一个平面，通过CAD图，将一个3D图看做一层层平面，则上面两个步进电机控制z轴，这样每打完一层上面控制z轴的两个步进电机便向上挪一层，如此反复便可以打出一个完整的3d图形，具体的实物图如图2所示。

三、主板与模块设计

1.核心主板

Arduino Mega2560 也是采用 USB 接口的核心电路板，它最大的特点就是具有多达 54 路数字输入输出，特别适合需要大量 IO 接口的设计。Mega2560 的处理器核心是 ATmega2560，同时具有 54 路数字输入 / 输出口，16 路模拟输入，4 路UART 接口，一个 16MHz 晶体振荡器，一个 USB 口，一个电源插座，一个 ICSP header 和一个复位按钮。Arduino Mega2560 也能兼容为 Arduino UNO 设计的扩展板。工作电压 5V，直流电流 50m A，Flash Memory 256 KB。实物图如图3所示。

2.步进电机驱动

独立双向控制控制一个步进电机，它具有很高的集成度，并且能提供足够的输出能力，如图 4 所示。A4988 是一款带转换器和过流保护的 DMOS 微步驱动器，该产品可在全、半、1/4、1/8 及 1/16 步进模式时操作双极步进电动机，输出驱动性能可达 35 V 及 ±2，A4988 包括一个固定关断时间电流稳压器，该稳压器可在慢或混合衰减模式下工作。转换器可驱动电动机产生微步[5]。无须进行相位顺序表、高频率控制行或复杂的界面编程。A4988实物图、原理图如图4、图5所示。

3.步进电机

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制电机，是现代数字程序控制系统中的主要执行元件，应用极为广泛。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”[7]，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的[6]。步进电机实物如图6、图7。

4.打印喷头

3D打印喷头主要由喷头罩、喷嘴和相应的静音耐磨自润滑轴套、进丝调节装置、喷头冷却风扇等几部分组成，采用 12V 供电 40W 的加热头，具有加热快，温度控制精确的特点。打印耗材通过加热头将其融化进行层层的精密打印。

四、课题成果

本文详细介绍了基于并联结构的 FDM 型 3D 打印机的设计思路和工作流程，尽管国内外文献中对于 3D的部分代码开源，但是要么着力于讲解拼装过程或者软件介绍，缺乏对 3D 打印实现的完整探讨。该实现方式采用上位机控制方式，具有建模灵活，切片方便、运动精巧的特点，稳定高效、易于维护、扩展方便，而且该设计思路也适宜于 LINUX、WINDOWS 等常见操作系统，支持多种硬件平台，内存占用率低，具有完备的技术支持和开源资料。

参考文献：

[1] 余兆堃.3D 打印时代工业设计的方法研究综述[J].文艺生活·文艺理论，2014（4）：80.

[2] 王雪莹.3D 打印技术与产业的发展及前景分析[J].中国高新技术企业，2012（9）：3-5.

[3] 魏先福.3D 打印与印刷[J].印刷技术，2015（1）：24-25.

[4] 刘红光，杨倩，刘桂锋，刘琼.国内外 3D 打印快速成型技术的专利情报分析[J].情报杂志，2013（6）：40-46.

[5] 王鉴光.电机控制系统[M].机械工业出版社，1994.

[6] 陈壁理.步进电机及其应用[M].上海科学技术出版社，1983：29-81.

[7] 邹丽新，朱桂荣，陆家昌，季晶晶，董健.精密控制系统中步进电机的电细分技术研究[J].电子技术应用 2005，31 卷 05.

作者簡介：

曲萍，1987年，女，硕士，主要从事电子信息工程、电力电子，软开关电源的研究。

（作者单位：山东英才学院）