郭泽扬 蔡奕滨 罗泽鸿
摘 要 3D打印技术出现于20世纪90年代中期，距今已有近三十年的历史，在第三次工业革命的推波之下，3D打印技术趋于成熟，其拥有的节能减材、快速精准等技术特性，逐渐吸引着人们的眼球。探讨降低3D打印机制造成本、学习成本，使3D打印机融入社会各界中去，高度契合我国可持续发展战略方针。本文将探讨如何降低3D打印机制造成本以及使用成本，打破3D打印机价格昂贵、操作复杂、普通人难以接触的局限，推广至教学领域以及普通消费领域，让3D打印平民化。
关键词 3D打印;降低成本;教学领域及普通消费领域
引言
近年来，3D打印越发受到人们的关注，3D打印也不负众望，能打印的材质多种多样，精度也在不断增加。如今，人们甚至在研究3D打印人体器官的可行性。但是，3D打印离进入每个普通人的生活还有一定的距离，其主要的原因是入门门槛高，不仅价格昂贵，学习打印软件的使用、3D打印机的校准也是一大难题。种种问题使得3D打印机在普通消费领域和教育领域不受欢迎。为使3D打印机进入普通人的视野中去，应该做到价格便宜且不失精度，软件操作界面相对简洁，机器自动校准各种参数等，本文主要探讨以上三个方向的可行性，拟制作出一款成本低、精度高、体积小巧、稳定可靠的3D打印机。让3D打印机走进学生的课内、课外生活中去，提升学生的动手能力以及学习能力，给予学生更多展现自我的机会。近几年一些经济型的3D打印机的销量也证明了3D打印机走进校园成为可能。
13D打印机原理及结构
1.1 基础工作原理
3D打印有许多不同的打印技术，但都采用了离散——堆积成型原理[1]，不同打印材料一般会选择相应的打印技术以达到最优解，同时各类材料的打印成本也不同。3D打印材料一般有SL（光敏树脂复合材料）、SLS（高分子、石蜡、陶瓷粉末材料）、LOM（陶瓷、纸材）、FDM（熔丝线材、热塑性材料）工艺成型材料，而3D打印技术则主要有FDM（熔融沉积快速成型）、SLA（光固化成型）、3DP（三维粉末粘接）、SLS（选择性激光烧结）、LOM（分成实体制造）、DLP（数字光处理）、FFF（熔丝制造）、EMB（电子束熔化成型）技术。本项目主要探讨如何制造出成本较低且精度相对较高、面向普通消费者的3D打印机，所以将采用FDM材料，选用FMD或FFF打印技术支持[2-3]。
3D打印系统可分为上位机及3D打印机两个部分，上位机主要完成3D建模设计以及模型的三维切片，而3D打印机则是根据控制指令驱动喷头按照规划好的路径进行逐层打印，最终完成3D打印任务。具体流程见图1。
3D打印前需要先进行3D建模，一般采用3Dmax、Proe、Solidworks、UG、AutoCAD等电脑软件，其中Soidworks最大的优势在于操作相较其他建模软件命令更加简洁且直观，适合初学者和学生进行学习。因此，符合本项目降低学习成本目标的Soidwork是最推荐的软件。
建模完成后保存为STL或SLA等文件格式。接下来便需要利用切片软件对3D模型进行切片处理，所谓的切片，意思是将3D模型切割成多个截面，并规划好3D打印机XYZ轴行走路径以及挤出机的挤出量，保存为能被打印机识别出的格式文件。常见的切片软件有Cura、S3d、Repetier Host等，这三款软件都是非常强大的切片软件，且操作简单，能够自动进行模型准备，模型切片，其中Repetier Host使用更为便捷、易于设置，且能够手动调试，能用于没有显示器的设备上，是非常值得学习的一款软件。
一切准备好后，点击打印，打印机接收到指令后，即可根据指令从下到上按顺序逐层打印，经过一段时间后，打印机最终会打印出建模软件里一样的实物出来，3D打印操作流程见图2[4-5]。
其实，3D打印机在打印模型前是不能直接打印的，需要先进行调平校准。首先，需要对热传版进行水平调整，也就是水平构建表面，随后正确调整表面与喷嘴的距离，这一校准过程非常重要，直接影响了打印成功率，但是调节过程非常烦琐，若是能做到全自动校准，3D打印机的使用难度将大大降低。我们可以将热床板与基于单片机的水平仪相连接，而喷头可接入红外测距模块，将设置好的各类场景不同情况的代码烧入单片机中，即可自动调平校准，后期可根据实际情况与实验数据再增加不同的校准模块，以达到更加智能化的校准体验。
要想降低3D打印的学习成本，整合各类3D打印软件并对其简化优化处理，是一种不错的选择，比如，可以设计一个按流程“一步一脚印”式引导人们进行操作，需要运用到哪一步骤的软件进行操作时将自动提示操作流程，操作失误时自动报错并提示错误点，最大化实现简单的3D打印操作流程，以达到本项目目标。预想流程图见图3。
1.2 机械结构
3D打印机是实现3D打印的执行者，它分別由步进电机、挤出机、热床、单片机、滑轨等部件组成，在X、Y、Z 3个不同直线方向上建立一个150*150*180mm的三维坐标系，通过3个42步进电机带动同步带轮和螺丝杆的移动，使喷头在3mm的误差内于三维空间内移动。而挤出机由1个42步进电机驱动，负责将打印材料以丝线状通过喷头挤出，使物体快速成型。通过各维度电机的配合，可以将打印材料放置在指定的位置上，最终完成作品的打印。
因为一般的3D打印机组装难度不低，需要各种型号的螺丝以及角件进行固定，且固定板也是五花八门，未接触过的普通人难以自主进行安装，不利于普及到教学领域以及普通消费领域的目标。我们可以化繁为简，在原有3D打印机的基础上，将复杂的3D打印机整体模块化，比如，重新设计骨架，将骨架与各类固定板进行一体化设计，且取消角件， 让骨架与骨架之间的连接仅需简单的拼接和固定，大大减少烦琐的操作步骤，降低组装难度。根据美观的需求，可以在不同骨架上添加外壳，将不同方向且繁杂的电线隐藏在外壳之下，达到美观的效果。在不影响正常打印，以及打印精度的情况下实现简洁明朗的设计。
1.3 3D打印控制系统设计
本方案采用Arduino Mega2560 R3改进版单片机作为主控，即3D打印机的“大脑”、控制系统的核心。在接受切片软件发送的Gcode指令并解析后，控制电机按照规划好的路线移动，完成打印。控制系统硬件框图见图4[6]。
为在有限大小内最大利用空间，X、Y、Z轴末端都会安装限位传感器，确定电机移动的最大范围;电机需要搭配电机驱动模块，来负责驱动电机传送喷头进行预定轨迹的移动;WIFI模块用于实现数据的远程无线传输功能;喷头控制模块用于控制电热管两端的电压以及温度的调节控制，使喷头温度处于预定温度设定值并持续保持恒温状态;热床加热模块是控制热床加热并保持一定的温度，使打印作品能够持续附着在热床上。
喷头温度控制模块。因为热熔挤压快速成型技术对温度的控制要求严格，喷头出丝温度需要一直处于设定的温度范围内并保持相对稳定的状态，不能有大幅度的温度跳动，这时便需要一个温度控制模块进行制约及调控，让喷头能够正常进行工作。热床温度控制模块也是采用类似的方法实现。
WIFI控制模块。切片软件生成Gcode文件后，需要将Gcode指令传输给3D打印机，为提高操作简易性，通过WIFI模块的无线传输，可实现数据的传输。可使用低功耗EMW3162串口WIFI模块，通过接入特定SSID号的WIFI网络，实现串口数据与WIFI数据的无缝传输。
电机控制模块。为了实现喷头能够精准定位，通过X、Y、Z不同轴方向不同电机共同配合工作，让喷头能够垂直于热床逐层打印，需要通过电机控制模块对不同电机进行统一协调。42步进电机由A4988芯片进行驅动，可以让喷头以不同速度实现移动的效果。
红外测距模块、水平调节模块。为达到全自动校准的目的，在喷头、热床上安装红外测距模块、水平调节模块可以获取3D打印机的各种数据，以便达到在设定值内实现自动调节的目的。后期，可根据实际情款增加不同种类的传感器模块实现更加精准的校准。
2结束语
学习3D建模、3D打印能够锻炼人的动手能力以及思维能力，其作为一项技能，在学生时代学习并掌握还能为未来工作提供更多的选择。而3D打印机，是3D建模变为实物的载体，降低整体价格以及学习成本是让其融入学生、普通人生活的很好途径。
参考文献
[1] 柳建.3D打印行业国内发展现状[J].制造技术与机床，2015（3）：17-20.
[2] 刘晓辉.快速成型技术发展综述[J].农业装备与车辆工程，2008（2）：
10-13.
[3] 夏卿坤.快速成型技术[J].长沙大学学报，2005（5）：94-98.
[4] 程永强，汤志忠，陶品.嵌入式软硬实验设计[J].实验技术与管理， 2011，28（2）：32-33.
[5] 谭大为.开放的嵌入式系统实验平台[J].实验技术与管理，2013， 30（12）：141-145.
[6] 杨亮.基于嵌入式平台3D打印机研制[J].实验技术与管理，2015， 32（12）：90-92.
作者简介
郭泽扬（1999-），男，广东潮州人;毕业院校：广东东软学院，专业：电子信息工程，学历：本科，现就职单位：广东东软学院，研究方向：嵌入式。
蔡奕滨（1999-），男，广东汕头人;毕业院校：广东东软学院，专业：电子信息工程，学历：本科，现就职单位：广东东软学院，研究方向：嵌入式。
罗泽鸿（2000-），男，广东清远人;毕业院校：广东东软学院，专业：电子信息工程，学历：本科，现就职单位：广东东软学院，研究方向：嵌入式。
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