针对3D打印的基本需求，设计了基于开源开发系统设计了打印机硬件驱动装置，提出了3D打印机驱动装置设计方案。该方案基于开源的Arduino开发模块，利用单片机ATMEGA328P-PU读取三维扫描数据进而驱动步进电机进行精确步伐控制，再由核心控制器将需要打印的位置上留下热容的打印材料并迅速冷凝定型。经实验系统误差已达到毫米级，可以满足打印需求。

【关键词】3D打印驱动 系统结构设计

3D打印是一种新型的基于数据模型的逐层打印速成技术，具有定制化程度高，打印成本低，成型速度快等特点。该技术是利用加热装置将耗材融化，再利用上位机驱动电机移动喷头在相应位置将其喷出堆积并迅速凝固。经过数据分析并层层扫描融化堆积，可以制造出虚拟产品，根据客户需求及其三维数据修正，即可生成个性化产品。

当前3D打印处于飞速发展阶段，势必对传统工业造成冲击，它变革了传统制造工业中的机械加工和模具制造，直接可以用远程数据库中数据生成任何形状物体并通过驱动电机在特定点喷射加热的成型材料打印成型。这种方式极大地缩短了产品的生产周期，特别适合于产品创新、个性产品设计、医疗产品及艺术创作等，具有巨大的市场前景有效提高了生产率，具有制造工序简洁、生产周期短，效率高成本低等优点。

本文针对目前日益增长的个性化3D打印装置进行设计，扭转了以往产高成本的不利因素，设计了3D打印机驱动装置设计方案。该方案基于开源的Arduino开发模块，利用单片机ATMEGA328P-PU读取三维扫描数据进而驱动步进电机进行精确步伐控制，并通过打印喷头进行打印，经过实验，本装置精度达毫米级。

1 3D打印机的工作原理

3D打印机又称为三维打印机，是一种累积材料为基础的制造快速成型技术，即快速成形技术的一种机器。3D打印机的原理是把数据和原料放进3D打印机中，通过数字模型文件运用特殊材料、粉末状金属或塑料等可粘合材料，打印一层层的粘合材料来制造三维物体。

3D打印系统由控制端及3D打印机两部分组成；其控制端具有对数据模型的格式转换、处理及输出控制指令等功能。上位机工作流程见图1。

为了保证3D打印的顺利进行，需要确定数据模型的大小是否在打印机的工作范围内，如果超出了打印机的最大工作范围，需要进行调整。本项目利用3D slic3r软件将数据模型进行逐层切片处理，将其转换为打印机可以识别的Gcode指令代码，打印机接收代码顺序执行之后便可以将数据模型实体化。

2 3D打印控制系统硬件设计

3D打印机控制系统是整个打印系统的核心，由无线数据传输模块，主控模块，步进电机驱动模块，3D打印喷头控制模块等组成。有控制系统完成对指令的解析，控制协调整个系统的工作及对主控端的反馈。其硬件框图见图2。

本方案采用开源的Arduino开发模块作为主控模块，将控制程序greb烧录入芯片中，负责解析控制代码并与各个模块协同工作完成打印任务；步进电机驱动系统负责驱动步进电机根据指令完成工作；蓝牙传输模块负责打印控制系统与主控端之间的数据与指令传输；3D打印喷头控制模块负责控制3D打印喷头开关及挤出速率；供电模块负责整个系统稳定的供电。

其中包含：

（1）蓝牙无线传输模块。主控端与3D打印机之间传输指令时，为提高传输效率与方便性，添加了蓝牙无线传输模块，以实现数据无线传输功能。本项目采用FBT06型号的蓝牙模块，进行匹配后便可以通过串口通讯进行主控端与3D打印控制系统之间的无缝数据连接。

（2）步进电机驱动模块。为了实现喷头在三维坐标内的准确移动，本系统采用三个步进电机驱动构成X、Y、Z三维坐标系，由主控芯片及步进电机驱动系统完成控制。本系统采用TB6600步进电机驱动芯片实现对步进电机的控制，本项目采用了步进电机的共阴极接法。

（3）Quectel EC20 4G模块。通过添加4G通信模块，使得主控芯片可以通过4G移动网络与服务器进行数据交换，来达到数据指令远程传输的目的。

本项目的3D打印机机械系统由步进电机及其支撑结构，3D打印喷头，打印基座等组成。通过支撑结构在三维平面内建立一个120mm×120mm×120mm的三维坐标系，通过三个步进电机驱动带动喷头及打印基座在三维平面内的移动，从而使3D打印喷头及基座完成相对移动，完成打印工作。3D打印喷头将热熔的3D打印材料匀速挤出，三个步进电机驱动完成与基座的相对移动。

按照原理，设计好的实物图如图3所示：左侧为打印笔，右侧为控制电路，当打印启动时，控制电路通过步进电机控制打印笔的移动方向，在所需要的位置上融化打印耗材并迅速凝固成型。

3 打印精度系统测试

为了测试本装置的稳定性，通过实验进行测试。打印笔打印其走行轨迹剖面图如图4所示，其中红色线代表需要打印成型，而蓝色线代表抬笔不打印。

按照设定好的模型，测试其数据的准确程度，如表1所示，其中打印笔信号分为0（工作信号）、3（启动信号）、5（停止信号）；喷涂材料为1表示此点位打印材料输出；X、Y、Z表示移动三维坐标；移动速度表示步进电机传动喷头的工作速率。

本装置误差主要来源于X、Y、Z坐标动轴，由于步进电机驱动时，采用螺旋推进结构的动轴旋差较大，以致产生驱动误差，其中X轴为平均0.113mm，Y轴平均误差为0.2mm，均在毫米级。

4 结论

针对3D打印的基本需求，本文设计了基于开源的Arduino开发模块的打印机硬件驱动装置，提出了3D打印机驱动装置设计方案。利用单片机ATMEGA328P-PU读取三维扫描数据进而驱动步进电机进行精确步伐控制，再由核心控制器将需要打印的位置上留下热容的打印材料并迅速冷凝定型。经实验系统误差已达到毫米级，可以满足打印需求。

（通讯作者：何东钢）

参考文献

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作者简介

李响（1983-），男，辽宁省沈阳市人。硕士学位。现为大连海洋大学信息工程学院讲师，主要从事电子电路设计与检测。

何东钢（1972-），女，辽宁省大连市人。硕士学位。现为大连海洋大学信息工程学院高级实验师，主要从事计算机控制设计。

作者单位

大连海洋大学信息工程学院 辽宁省大连市 116023