“精打细印”——智能化 3D打印系统

刘鹤、张锐斌、唐子瀚、杨洲、陈林

梧州学院，电子与信息工程学院

广西壮族自治区，梧州市

543003

摘要

随着近些年来的电脑和互联网技术的飞速发展，3D打印技术的研发与应用已经走过了几十年的前期摸索阶段。无论是技术的成熟度、完善度、易用性、人性化、经济性等，都已经取得了巨大突破。

随着电脑互联网应用的快速普及，就3D应用而言，已经成为了普通大众工作和生活中的一部分，“互联网+3D打印技术”真正大范围走进大众生活。本项目利用VS Code开发平台，配合Marlin固件、RRF固件和42/57系列步进电机组成的多功能智能化3D打印系统，通过对现有的3D打印技术进行大幅度改进，在现有技术中加入：Echarts可视化技术、断点续打，打完关机技术、高精度喷料技术、自动调平技术。使得用户在打印过程中更加便捷，而且该系统打印对象十分广泛，上至高精度仪器零部件，下至一些生活小部件等均可打印制作，让用户可以一机多用，给人们带来新的3D打印大改革。

关键词：VS Code；3D打印；步进电机; Echarts可视化；WIFI

1. 研究目的

本项目的研究目的是创立一个小型、便捷、通用，功能丰富多样和高精度的多功能智能化的3D打印系统^[1]。本项目由VS Code作为开发平台，利用了Echarts可视化实现对在打印之前建模步骤实现可视化，利用ESP8266WIFI物联网技术实现无线联网打印，利用了高密度聚合物电池和可控开关电源实现断点续打，打完关机，利用了可控加热棒和高精度挤出机实现高精度打印，利用了多轴水平仪实现打印平台的自动调平。设计出一款具备以上功能的多功能智能化的3D打印系统不仅仅能让普通老百姓体验到3D打印技术的便捷与高效，还可以在高精度仪器、大规模的打印生产中拥有广阔的市场前景。

2. 研究内容

多功能智能化3D打印系统，就是利用Echarts可视化、低延迟ESP8266WIFI物联网技术、高密度聚合物电池和可控开关电源、可控加热棒和高精度挤出机、多轴水平仪、模块和现有的3D打印相结合，设计得到的一款小型、便捷、通用，功能丰富多样和高精度的多功能智能化的3D打印系统。

1. 1. 第一部分是多功能智能化3D打印系统数据层的搭建：

利用Marlin固件^[2]里面比较完整的3D打印机板型，因为其涵盖功能较多，在使用时，需要进行相应的主板功能配置，配置好的固件，进行编译之后，会生成一个编译文件，将该编译文件拷贝到一张2GB左右的SD卡，插入主板中SD卡槽，主板即可自动引导固件的更新，主板的底层代码需要进行开发，依次更新到主控芯片中。

1. 2. 第二部分是多功能智能化3D打印系统硬件设计：

3D打印平台硬件集成了中央主控板、步进电机控制臂、高精度通用原料挤出机、高精度温控加热棒、多轴水平仪模块，实现机器的流畅运行并且将机器的故障率降至最低，保证打印产品的高精度和良品率，让消费者用户可以按照自己的想法设计出自己想要的产品。

1. 3. 第三部分是多功能智能化3D打印系统程序和设计电路的仿真：

通过Proteus8.6，NI Multisim等仿真软件对程序及设计电路进行仿真测试，确保程序不会出现跑飞、卡机、黑屏死机等状况，再配合专用的3D打印机测试软件，对本团队设计出的样本系统进行测试，测试步骤包括高负荷测试、精度测试、断电测试、自动调平测试、关机测试，所有的功能测试无误后再进行系统生产得到量产产品。

1. 4. 第四部分多功能智能化3D打印系统软硬件部分进行联合调试：

在调试中引入真实环境，给多功能智能化3D打印系统设立各种各样的工作模式和各种各样极端的工作环境，测试机器是否会按照正常的设定完成工作，确保机器的稳定，在调试的过程中不断完善整体系统，完成所有模块的测试，确保稳定度。

3. 国、内外研究现状和发展动态

3D打印技术最早出现在美国，始于19世纪末,并于20世纪80年代得到实现与发展。随着智能制造技术的不断发展,3D打印技术随之不断完善和成熟。如今，3D打印技术已被广泛地应用到汽车智能制造、航空航天、医疗产品、文娱产品、生活器具、创意设计等制造领域。甚至,英国《The Economist》杂志《The Third Industrial Revolution》刊文中,将打印技术作为“第三次工业革命”的重要标志之一，与智能软件、基于互联网的商业服务模式等其他数字化生产模式并肩而立，推动新的工业革命的实现^[3]。

1、国际情况

经过十多年的探索和发展，3D打印技术有了长足的进步，目前已经能够在0.01mm的单层厚度上实现600dpi的精细分辨率。目前国际上较先进的产品可以实现每小时25mm厚度的垂直速率，并可实现24位色彩的彩色打印。目前，在全球3D打印机行业，美国3D Systems 和Stratasys两家公司的产品占据了绝大多数市场份额。此外，在此领域具有较强技术实力和特色的企业/研发团队还有美国的Fab@Home和Shapeways、英国的Reprap等。

目前在欧美发达国家，3D打印技术已经初步形成了成功的商用模式。如在消费电子业、航空业和汽车制造业等领域，3D 打印技术可以以较低的成本、较高的效率生产小批量的定制部件，完成复杂而精细的造型。另外，3D打印技术获得应用的领域是个性化消费品产业。如纽约一家创意消费品公司Quirky通过在线征集用户的设计方案，以3D打印技术制成实物产品并通过电子市场销售，每年能够推出60种创新产品，年收入达到100万美元。

2、国内情况

自20世纪90年代以来,国内多所高校开展了3D打印技术的自主研发。清华大学在现代成型学理论、分层实体制造、FDM工艺等方面都有一定的科研优势；华中科技大学在分层实体制造工艺方面有优势，并已推出了HRP系列成型机和成型材料；西安交通大学自主研制了三维打印机喷头，并开发了光固化成型系统及相应成型材料，成型精度达到0.2mm; 中国科技大学自行研制了八喷头组合喷射装置，有望在微制造、光电器件领域得到应用^[4]。

但总体而言，国内3D打印技术研发水平与国外相比还有较大差距。

3、发展动态

3D打印技术为俗称，学术界给予的学术名称为“增材制造技术（AM）”，又称为快速原形技术（RPM）。3D打印技术的实质其实是借助于相关的计算机软件，以数字化模型文件为基础，选取粉末状金属、液体状或塑料等粘合材料，利用特定的快速成型设备，通过分层加工，叠加成型的方式制作出真实的三维实体产品。目前，3D打印技术主要运用于原型制造、模具制造以及直接制造三大领域。

随着智能制造的进一步发展成熟，新的信息技术、控制技术、材料技术等不断被广泛应用到制造领域，3D打印技术也将被推向更高的层面。未来，3D打印技术的发展将体现出精密化、智能化、通用化以及便捷化等主要趋势。

小型化、桌面化，成本更低廉，操作更简便，更加适应分布化生产、设计与制造一体化的需求以及家庭日常应用的需求；软件集成化，实现CAD/CAPP/RP的一体化，使设计软件和生产控制软件能够无缝对接，实现设计者直接联网控制的远程在线制造；拓展3D打印技术在生物医学、建筑、车辆、服装等更多行业领域的创造性应用。

4. 创新点与项目特色

1、本项目基于Echarts可视化技术而设计构建图像模型可视化平台，让打印的具体形状的预览3D图像清晰明了的展现在用户面前，用户仅需将项目所需的数据上传可视化平台，Echarts可视化平台即可利用3D建模将上传数据所生成的3D预览图更生动形象的呈现在用户面前；除了可以通过基于Echarts可视化技术输入数据来构建3D预览图来打印的同时，还拥有独特的快速3D扫描技术，通过快速3D扫描技术扫描被打印物品，系统自动生成3D预览图进而打印成品，与繁琐的数据采集和构建模型的老办法相比具有精确快速复制打印对象的特点；

2、本项目又一特点便是高精度，采用42\57系列步进电机作为动力源，高精度挤出机和数控加热棒组成高精度喷料系统，42\57系列步进电机具有步进数精确,打印精确度高，精确度可达到0.5mm，具有故障率低、打印质量高、良品率高等特点。更高的精度可以打出更复杂的器件，利用高精度特点使得系统的可塑性很高可以制作出传统生产技术难以做到甚至不能做到的形态，高精度可以适用于一些精确仪器或精确器件的打印，打印出的成品可以达到工业化生产标准，打印效率极高；

3、本项目可通过3D打印切片软件Cura进行联机打印，本项目操作简单，从模型设计，到模型切片，再到整机打印，操作流程简单，易上手。对于操作人员的门槛低，只需要简单的培训即可熟练的使用投入到生产过程中去，并且加入了ESP8266WIFI物联网技术，使得系统可以实现远距离无线打印，使得3D打印更加智能，并且还有记忆系统，会保留最近30条在本机实施作业的记录，通过检索来搜寻历史记录进行作业；

4、本项目在设计之初便考虑到了特殊情况的出现，当保持工作的时候如打印机遇到突然意外断电或者要暂时离开要中止工作时，“断电续打”功能派上用场，高密度聚合物电池为断电后继续工作提供能量支撑，系统自带的“记忆模式”可以存储断电前的工作，保证工作数据不会丢失，可以应对各种突发状况导致的一系列后果；

5、本项目在设计时考虑到节能减排的重要性，当系统完成工作后，并且一段时间内无操作指令时，系统会自动发出关机指令，节约电力，达到节能减排目的。当打印机长时间进行工作打印时，可以设置“打完关机”功能，模型打印完成之后系统会保存先前工作数据，并自动关机；

6、本项目设计的多功能智能化3D打印系统具有极低的故障率，通过独特的内部结构布局各个模块之间留有散热区域和智能热监控系统，在保证小巧精致的同时，智能热监控系统可以防止异常高温并加装有网式散热片来保证良好的散热效果，与传统的打印机长时间工作散热能力差导致故障相比，具有良好散热能力的同时保证了安全，代表着工作效率成倍的增长，解决了传统打印机散热差的问题，极大的降低了故障率，增加了打印质量；

7、本项目在设计时考虑到便携性，与传统的3D打印机相比，本项目的主要的特点就是体积更小，并且拥有较长自持力，便于携带，适用于户外场所，本项目是桌面级别的3D打印机，更适用于私人、小型企业、办公室、学校等场所，相比于传统大型的打印技术来说，本项目的受众范围更广，偏向大众化；

8、本项目有“一步到位”的优势，在对于一些内部结构复杂或者极为精密的物件来说，可以打印零件或者直接打印成品，并且速度快，精确度高。相对于传统的流水线生产多个零件组合拼装来说，大大节省了人力，物力可直接生产成品，进而挑战大规模生产；

10、本项目主板兼容性好、数据更新快：系统可支持主板类型多，可设计支持LPC、STM32、GT32、AT32等多系列的主板，对于一些模块和硬件有很强的兼容性，受用范围更广，3D打印系统机器固件刷新依靠SD卡更新，效率高，操作便捷，编译之后生成的编译文件，系统会将该编译文件拷贝到一张2GB左右的SD卡，插入到中，主板即可自动引导固件的更新，通过使用SD卡更新大大提高了打印速度。在此功能之上，我们还可以设计加有一块拓展板实现“一控多印”即一个控制板同时控制多台打印设备进行作业；

11、本项目3D打印系统能实现材料组合打印也是不同于传统3D打印技术的创新之一，由于目标的不同部件所要实现的功能不同所需的材料也不同，不同材料的组合打印实现了对于材料所需不同的限制，大大节约了成本和时间；

5. 技术路线、拟解决的问题及技术路线 ：

1、平台的搭建：利用VS Code作为开发平台，在此基础上利用Marlin固件和RRF开源固件作为平台的技术资源。自主开发打印模式，自主设计控制程序，逐步完善平台兼容性。

2、硬件设备的制作：我们要做出一款能够Echarts可视化预览、断点续打、打完关机、打印平台自动调平、高精度打印等功能的多功能智能化3D打印系统，并且系统的优点是桌面化、通用化、兼容性好、可靠性高、易上手、高精度。

3、到拥有相似3D打印技术的公司学习，吸收借鉴目前社会上先进的3D打印技术，充实自己的知识储备，为多功能智能化3D打印系统项目的设计提供更多的技术支持。

4、完成多功能智能化3D打印系统软件部分和语硬件平台的互联调试，通过大量的高强度测试，统计系统出现的各种BUG，并制定出解决方案，确保该系统在上市之前的故障率降至最低，创立良好口碑。

5、通过互联网收集意见和实地调查获取人们对本系统的宝贵意见，改善系统产品质量，为人们提供一套优秀的多功能智能化3D打印系统。

拟解决问题：1、Echarts可视化预览；

2、断点续打、打完关机；

3、熟练操作3D打印切片软件Cura；

4、建立3D模型数据库；

5、打印平台自动调平；

6、高精度挤出机的设计；

7、控制极低故障率；

8、随时可进行固件更新；

9、Marlin固件和RRF开源固件写入；

10、利用CAD，设计一个散热性能高的摸具；

11、建立ESP8266WIFI物联网环境实现远程打印；

6. 预期成果

实现机器和平台联动，完成多功能智能化3D打印系统的设计，实现Echarts可视化预览、断点续打、打完关机、打印平台自动调平、高精度打印、极低故障率、固件实时更新等功能，撰写可行性研究报告（调查报告）1份，在省级（含省级）以上学术期刊发表论文1篇。

7. 项目研究进度安排

我们的项目进度分为三个阶段：

1、理论学习阶段：（2021年4月——2021年12月）

各个组员将有针对性地进行相关理论知识的补充深入学习，比如学习VS Code平台的开发与应用；学习Marlin固件和RRF开源固件的使用；学习Echarts可视化技术的应用；学习42\57系列步进电机工作原理；学习PLA 、TPU等打印材料的特性与物理性质。

2、软硬件设计阶段：（2022年1月——2022年8月）

在STM32的基础上设计出适合的该系统的软件程序、利用Marlin固件和RRF开源固件设计设计出多种多样的打印机板型、利用数据库技术设计出Echarts可视化预览平台、设计出高精度的挤出机和数控加热棒，保障高精度、设计出高能量密度的电能储存模块，确保系统在断电后能稳定完成打印工作、利用CAD设计出独特的内部结构布局各个模块之间留有散热区域，在保证小巧精致的同时，加装有网式散热片来保证良好的散热效果。实现多功能智能化3D打印系统的完整组装。

3、测试阶段：（2022年9月——2023年4月）

在调试中引入真实环境，给多功能智能化3D打印系统设立各种各样的工作模式和各种各样极端的工作环境，测试机器是否会按照正常的设定完成工作，确保机器的稳定，在调试的过程中不断完善整体系统，完成所有模块的测试。

8. 已有基础

   1. 与本项目有关的研究积累和已取得的成绩

为了本项目能够有较高的水准，我们团队专门邀请了学校在该方面有专精的老师进行专业知识指导，还有向已毕业的进入该行业的学长进行细节问题的咨询。其中在已经开源使用的Marlin固件源码和RRF固件源码的基础上增加功能可实现性，同时精通对TTF-lcd串口屏幕的使用，换句话说在该项目中，我们采用了个人的研究积累，其中有组员在Echarts可视化领域上和在3D打印技术有一定的研究基础，也有组员在自动化扫描以及断电续打等方面的技术有所研究，我们团队利用组员的研究积累给项目增加了许多创新之处。当然，我们团队也翻阅了大量的有关3D技术方面的书籍和资料，在了解技术方面知识之余，我们团队还对其在国内外的发展现状与趋势进行了相当程度的调研。我们团队中的队员曾获全国大学生电子设计大赛区级二等奖、第一届和第二届广西大学生智能设计大赛一等奖、2020工程机器人大赛暨国际公开赛二等奖、第十三届中国大学生计算机设计大赛三等奖、梧州学院2020“互联网+”大学生创新创业大赛银奖、第九届“挑战杯”广西大学生创业计划铜奖和第十一届“蓝桥杯”广西赛区三等奖等大型比赛，他们已经具备较高的专业水平及知识素养。

1. 2. 已具备的条件，尚缺少的条件及解决方法

一、已具备条件：

1.实验条件：我们团队拥有学院实验室提供的大量资料资源和专业设备资源，这些给我们团队提供了极大的帮助。无论是实验需要用到的材料还是仪器又或是实验环境，我们团队都已具备了不错的实验条件。

2.团队条件：我们团队由五名怀揣梦想、坚定信念、努力实干的青年大学生组成。我们都来自电子与信息工程学院，我们有着不同领域的专业性，在某些方面都有自己独到的涉猎或是深入的研究。我们团队充分利用了各自专精领域的研究积累，进行本次项目的研究和开发。我们团队将我们的个人研究积累采用到项目的创新和多功能化上面，完全开发出具有我们团队特色的项目作品。关于组员自身，我们团队有三名组员来自实验室，平时也经常参与各项专业竞赛，获得了不少的荣誉，比如广西大学生智能设计大赛、全国大学生电子设计大赛、挑战杯大赛等等均获得过奖项。并且，团队成员都已经是大三的专业知识水平，项目涉及到的专业知识不再是完全依靠查阅资料获取，而是自身对其已有一定的了解。

3.学习条件：我们团队通过请教专业的指导老师以及学院优秀的资深专业教师团来学习项目相关的专业知识，并且通过学校拥有极大底蕴的图书馆来查阅项目中遇到的知识问题。除此之外，我们也可以咨询实验室做过相关研究的学长学姐们。

4.外界条件：可以咨询学院毕业后从事该项目相关行业的学长学姐们，可以与该行业的公司合作，学习现代化的3D打印先进技术。

二、缺少条件

由于没有资金的支持，本项目难以进行后续的开发研究，而且相关专业技术层面资料匮乏，因此希望本次项目通过，得到学校及国家政府的支持。

参考文献

[1]刘一海,肖军杰,樊瑞瑞,程光耀,齐元胜,林达理.基于“互联网+”的创意产品3D打印现状与分析[J].机械工程师,2021(06):68-70.

[2]伍文进,徐中云.基于Marlin固件的膏状体3D打印研究[J].机械研究与应用,2021,34(01):166-170.

[3] 刘业勤,张晓莲,邱双.3D打印技术的国内外现状及其发展趋势[J].内燃机与配件,2017(12):121-122.

[4] 吴平.3D打印技术及其未来发展趋势[J].印刷质量与标准化,2014(01):8-10.