桌面3D打印机系统设计与实现-第1章

桌面3D打印机系统设计与实现

目前桌面3D打印机的工作模式是由连接打印机的电脑对3d模型进行切片处理，将生成的切片数据发送给3D打印机，然后完成打印。由于切片在电脑上进行，离开电脑，3D打印机无法独立工作，给用户使用带来极大不便。针对上述现状，本文在基于嵌入式平台上设计出一套具备自动切片功能的桌面3D打印机系统，不用外接电脑，直接输入3D模型，就可由3D打印机自身进行切片处理并完成打印。系统具有友好的人机交互界面，支持打印机设备的手动控制以及打印过程实时监控，支持模型格式转换、模型完整性检测及一般修复。

本文首先根据系统需求分析，给出了系统总体设计方案，并对STL模型分层切片、基于并联臂结构的坐标变换以及PID温度控制原理等关键技术进行了分析。为了实现分层切片功能，从切片效率和算法设计复杂度等角度进行分析和比较，选择了基于三角面片几何特征的分层切片算法，并对其切片原理进行详细分析，针对该算法的不足提出了改进措施，以提高切片效率。

其次对系统的硬件和软件进行了详细设计与实现。硬件部分在主控芯片的基础上完成了步进电机驱动电路和温度控制电路的设计。软件部分完成了系统界面管理模块、3D分层切片模块以及打印控制模块等三个模块的设计与实现，系统界面管理模块提供了可视化操作界面；3D分层切片模块主要完成对STL格式的3D 模型的切片处理，从而实现了切片打印一体化；打印控制模块主要完成了对打印机设备的控制，实现打印功能。

最后搭建测试环境，对桌面3D打印机系统功能进行测试，通过对测试结果进行分析，本文设计的桌面3D打印机系统稳定性高，打印的3D模型实体表面光滑，结构稳固，达到了预期设计目标。

关键词：嵌入式，3D打印，3D模型，切片处理，模型修复

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第1章绪论

1.1 研究背景及意义

1.1.1 研究背景

3D打印(3D Printing)技术是近几年兴起的一种三维立体快速成型技术错误!未找到引用源。，发展至今已受到了人们的广泛关注。3D打印技术的发展，对推动传统的制造体系和设计理念的变革，具有重要的革命意义。

3D打印机主要分为工业级和桌面级两种，工业级3D打印机一般用于企业制造超大尺寸的产品以及产品的规模化生产，对产品的成型精度和成型效率要求较高，因此一般采用SLS（Selective Laser Sintering, 选择性激光烧结）技术、SLA （Stereo Lithography Apparatus, 光固化成型）技术或3DP（Three Dimensional Printing, 液体喷印成型）技术错误!未找到引用源。。而桌面级3D打印机主要面向个人消费者，用于满足用户对产品的个性化定制的需求，由于面向的是普通消费群体，且对打印质量要求没有工业级那么严格，因此一般采用FDM（Fused Deposition Modeling，熔融沉积成型）技术错误!未找到引用源。。基于FDM技术的桌面3D打印机结构简单、价格低廉，体积微小，具有一些工业级3D打印机不可替代的用途。随着人们生活水平的提高，对个性化装饰品的追求与日俱增，而桌面级3D打印机作为其重要的制作工具，深受喜爱DIY（Do It Yourself，私人订制）人群的青睐。

3D打印技术从产品制造角度来说，包含两个关键技术：一个是数字3D模型的分层切片技术；另一个是3D模型的分层制造叠加成型技术。分层切片技术的基本原理：以数字模型为基础，将3D模型按照打印需求进行数字分层切片错误!未找到引用源。，完成三维模型的量化，即将三维的模型转换为若干连续的近似于二维的模型轮廓截面错误!未找到引用源。，可将生成的一系列轮廓截面看成是一层层连续的薄片。分层制造叠加成型技术的基本原理：以切片数据为基础，采用特殊打印材质，依照切片数据完成模型轮廓截面的打印，并通过逐层叠加的方式使3D模型成型。由于3D打印技术利用数字化技术错误!未找到引用源。，因此可生产任何结构复杂的产品，而且不需要后续的加工处理，节省了生产材料，提高了生产效率。

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