2024年1月10日发(作者：甘游)
江苏省高等学校
大学生实践创新训练计划项目申报表
推荐学校：
项目名称项目类型（盖章）
基于STM32的ABS塑料3D打印机：
系统设计
√ 重点项目
□ 一般项目
：
□ 指导项目
工学
张鹏程
解乃军
2013.04.18
所属一级学科名称：
项目负责人：
联系电话：
指导教师：
联系电话：
申报日期：
江苏省教育厅 制
二○一三年三月
1
项目名称
项目所属
一级学科
项目类型
项目实施时间
基于ABS塑料打印材料的3D打印机系统设计
工学
项目所属
二级学科
机械类
（√）重点项目 （ ）一般项目 （ ）指导项目
起始时间：2013年 6月 完成时间：2015年 5月
项
目
简
介
(100字以内）
本项目拟制作一台桌面式3D打印机，打印材料使用ABS塑料。该打印机系统主要由打印机核心控制器单元、打印机驱动及电机单元、打印机本体机械机构单元、打印头单元、反馈及检测单元、打印零件分层程序转换单元等组成。
姓名 年级 学号
所在院系
/专业
联系电话
1095529084@
872422859@
张鹏程
主
持
人
三
工业中心
233100146
自动化（系统集成）
申请人或申请团队张雪雪 三 203100505
自动化学院
数控
郑孟翰 三 233100148
工业中心
自动化（系统集成）
zha1211@
成
员
徐建 三 231100334
工业中心
数控加工
798641668@
宗如生 二 233110147
工业中心
自动化（系统集成）
594126884@
2
第一指导教师
姓名
年龄
解乃军
44
导师：解乃军
单位
专业技术职务
工业中心
高级工程师
1、从事数控技术及自动化的理论和工程研究二十余年，主持并参与过数十种复杂机电装备的产品开发研制工作，其中有三个项目都获得了江苏省科技进步奖：主持研发的复杂机电产品CKH1450数控车铣中心，获2005年度江苏省科技进步二等奖；参与研发的N-084A系列机床获得2005年南京市科技进步一等主要成果
奖；主持研发的N-094车磨复合加工机床项目获得2007年江苏省科技进步三等奖；参与研发的第一代CK7815产品曾获得国家级银奖。
2、2008年进校工作以来，指导学生参加各类大学生竞赛多次，均取得良好成绩；工业中心自动化（系统集成）专业教研室教师；
指导教师3、2011年6月-2012年6月，指导学生完成省大学生创新项目1项，通过成绩：“良好”。
第二指导教师
姓名
年龄
张军
35
导师：张军
1、2012年3月，南京航空航天大学导航、制导与控制专业博士研究生毕业。工业中心自动化（系统集成）专业教研室教师；
2、完成科研论文多篇；
3、指导学生自动化学院的孙超祥、材料工程学院的树西等组成主要成果
的参赛队在水中机器人全局视觉花样游泳比赛中战胜众多强队，勇夺冠军。
单位
专业技术职务
工业中心
博士/讲师
3
一、申请理由（包括自身具备的知识条件、自己的特长、兴趣、已有的实践创新成果等）
张鹏程（第一负责人）：具有一定的领导与组织能力，学习成绩优秀，曾2次获得校一等奖学金；对模拟电路设计、C语言程序设计有浓厚的兴趣，擅于发现和总结问题；擅长课程有《模拟电子技术》、《数字EDA技术》、《电机与拖动基础》、《单片机原理及应用》、《传感器与检测技术》、《嵌入式微控制器》、《自动控制原理》等；能熟练使用汇编/C/C++/VB、AutoCAD2008、Matlab、Altium Desiger9、Multisim11.0等软件；在2012年8月参加江苏省（TI杯）电子设计大赛荣获一等奖，在2012年11月参加江苏省“和利时杯”电气控制应用设计一等奖以及在2012年12月参加第七届全国信息技术应用水平大赛小组二等奖。
张雪雪（第二负责人）：学习认真踏实，专业知识很强,曾在2011年 -2012年荣获国家奖学金，2010年 -2011年荣获国家1次励志奖学金 ，2次特等奖学金，1次一等奖，2次二等奖，多次荣获“校级三好学生”、“校优秀学生干部”、“校优秀团员”称号 ，曾被评为“校十大标兵提名” ；对PLC的相关知识有一定的了解，使用过多款单片机，对EDA技术有一定研究，学习过LINUX操作；在2012年6月参加 南京工程学院“飞兆杯”电子设计大赛荣获一等奖，在2012年8月参加江苏省T（TI杯）电子设计大赛荣获一等奖。
徐建（项目成员）：
自学能力、创新意识强，对机械设计、数控机床、单片机和PLC比较感兴趣；熟练UG、Auto CAD三维画图软件、数控编程技巧；在2013年亚太区（香港）水下机器人竞赛亚军，申请实用性新型专利一项。
郑孟翰（项目成员）：具有一定的学习能力和反应能力，有较强的创新意识。进入大学以来，根据学习兴趣与专业方向，在所学的专业课中，擅长课程有《C语言》、《汇编语言》、《微机原理》、《单片机原理及应用》；熟练使用、VC、CAD画图软件、Protues仿真等软件；自己自学过51开发板，现学会使用多款单片机,并独立设计多个软件程序，对USB2.0通信很感兴趣。
宗如生（项目成员）：平时喜欢看一些计算机和电子方面的专业书籍及动手能力强，对新鲜的事物有很强的探求意识；掌握单片机技术、数字EDA技术，模拟电子技术，电机学，c语言，autocad等，参加过专业方面技能培训，比较擅长及爱好电子产品的制作。
4
二、项目方案
1、项目研究背景（国内外的研究现状及研究意义、项目已有的基础，与本项目有关的研究积累和已取得的成绩，已具备的条件，尚缺少的条件及方法等）
1.1、国外的研究现状
“快速制造”概念由美国科学家率先提出，世界上第一台3D打印机也诞生在美国，是由美国3D Systems公司在1986年研发成功的。3D Systems是最早生产SLA快速成型机的公司，率先提出STL格式的快速成型文件格式，此格式已广泛应用于各种类型的快速成型设备。2004年，推出光固化三维打印机，以光敏树脂为实体材料，以蜡为支撑材料。
美国麻省理工学院（MIT）的Scans E.M.于1989年首先申请到基于喷射粘接剂的三维打印成型专利。美国Z Corporation 公司于1995年得到美国麻省理工学院的专利授权，从1997年陆续推出系列三维打印成型机。2005年初，推出高清晰度的Z510彩色三维打印机，成型尺寸为254mm*365mm*203mm,采用四个HP喷墨打印头。打印速度达2层/分钟，层厚为0.089——0.203mm,分辩率达600*540dpi,可快速制作24位色彩的高清晰度零件，非常适合于概念模型制作。Z
Corporation 公司十多年来致力于粘结材料3DP(three dimensional printing)快速成型设备的研制和生产，已开发并推广了高速成型、彩色成型、大尺寸零件成型等多个系列的粘结材料3DP快速成型设备，成型材料有石膏、淀粉、人造高弹橡胶、熔模铸蜡和可直接铸造低熔点金属的铸造砂等，目前在快速成型市场占有率最高。
OBJET Geometries公司主要研发光固化三维打印设备和成形材料。2000年，推出第一台光固化三维打印机，所有喷头共含1536个喷嘴孔，喷射宽度为60mm,成形精度非常高，每层厚度最小达0.02mm。目前，该公司正在研发三维打印材料自由组装的光固化设备，可以一次成形具有不同特性的多种材料，打印的同时即组装成装配零件，是一种比较新颖的技术，目前市场前景十分看好。
Sangers Design International公司推出的Rapid Tool Maker机器，采用热塑性塑料为实体材料，蜡为支撑材料，机器尺寸为174*66*167.5cm, 最大成件尺寸为90*30*30cm，成形精度为5*5*3um，最小层厚0.012mm，售价约为12万美金。
英国一名科学家设计出一款一次成型的尼龙自行车．美国学者设计出巨大的3D打印机。能在20小时之内打印出一套房子，更震撼的是，在2050年前直接打印出一架飞机所有零部件的愿望也可能实现，而人造牙齿、人造骨骼、人造血管⋯⋯3D打印在医疗领域的全面开花也令人侧目。
2012年9月19日，著名科技杂志《Wired》的主编Anderson专门撰文介绍了3D打印机的进展情况，并起来一个以危言耸听般的标题“The New MakerBot Replicator Might Just Change Your
World（新的MakerBot Replicator或将改变你的世界）”。世界首个公布3D打印机开源数据信息的
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科学家、英国工程学家阿德里安•鲍耶曾向媒体表示：“3D打印机将来不是要取代某一个制造业，而是要取代几乎所有的制造业。”
1.2、国内的研究现状
据了解，我国3D打印机行业的科研团队主要包括清华大学颜永年团队、华中科技大学史玉升研究团队、西安交通大学卢秉恒团队，及北京航空航天大学王华明团队等，这些研究团队在不同领域都取得了良好的业绩。同济大学的张曙教授团队对粘结材料三维打印技术进行了比较系统的研究，研究内容包括三维打印设备的研制、成形材料的配方优化和成形工艺试验。南京理工大学的王建、叶迎华研究了光固化三维打印在制造化学芯片上的应用。西安交通大学的劳奇成和卢秉恒对喷蜡打印喷头的结构、原理、驱动信号时序以及驱动电压波形对喷头喷射效果的影响进行了研究等。
沈阳新松机器人自动化股份有限公司则是目前A股上市公司中唯一能提供成套金属3D打印设备的上市公司，该公司依托激光加工技术优势，拓展激光成套装备业务，于2012年3季度成功研制出激光快速成型设备，俗称“3D打印机”，该设备集中展现了公司在激光加工方面的丰富经验，采用了包括兼顾加工速度和加工精度的双光束熔覆技术、冷却保护气体释放应力技术、保护性气体配方，以及对应于不同金属材料的专用工艺方法等。公司生产的用于激光快速成型的高功率激光器，保证三维成型的高精度5轴联动数控专用机床，激光加工头和传送钛合金粉末的自动送粉器等设备成功装配在激光快速成型设备上，该设备主要采用金属原料，可用于加工核心部件，为我国新型航空、航天、船舶等高端装备制造领域的生产制造提供了有力保障。同时该公司的另一项高端产品——纳米制版3D打印机已成为公司新的利润增长点。纳米制版打印技术为世界首创，制版一次成型无污染、绿色环保，是制版技术的革命性更新换代的产品。纳米材料制版技术不仅完全满足目前主流印刷业务在精度、速度、质量上的要求，而且解决了设备、耗材成本高以及环境污染、浪费资源的问题，完成了制版技术从感光时代到非感光时代的跨越。
我国各地政府对3D打印技术的发展也进行了大力的扶持与推动，我国首个3D打印工业园将落户武汉东湖高新区，目前武汉市发改委等部门针对3D打印产业，正在摸底调查，拟着手编制规划并予以扶持培育。广东省东莞市则将3D打印写入了今年的地方政府工作报告。
1.3、研究意义
按照传统的说法，第一次产业革命开端于英国的伦敦，机械取代了手工劳作，诞生了现代意义的“工厂”；第二次产业革命发生在美国的西雅图，由福特开创的流水线工业生产使得规模化生产成为可能。而第三次产业革命，是使工业回归单个产品的精细加工，在数字化的帮助下，降低定制产品的成本。
3D打印技术是在数字化技术支持下实现单个产品精细化加工的一种主要方式，它代表了未
来制造业发展的新方向——加式制造。加式制造是相对于减式制造而言的。减式制造，即通过模具、
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车铣等机械加工技术与工具将原材料转化成产品的工艺过程与设备的总称，其特征为利用缩削、减
少材料来生产部件。自古以来，减式制造就是人类生产的主要方式，更是现代制造工业的基础。而加式制作是利用逐层增加材料的方式生产各种产品，无需模具，因此也被称为无形制造技术。让产
品从设计到制造之间只相隔一个“打印”按钮的距离。
如今3D打印主要应用于两大领域，一是工程类制造，二是民用发展。在工程类制造方面，一方面是应用于国防军工、航空航天等高端制造的重要零部件生产，这些部件生产要求高，传统工艺往往无法达到或者成本过高。另一方面是用于工程制造的小批量或者单件产品生产，相对于批量生产拥有巨大的成本优势。
随着3D打印为社会所广泛关注，民用市场迅速崛起，3D打印开始应用于做模型、礼品、纪念品甚至工艺品的制作，2012年12月31日，全国首家3D打印照相馆落户西安高新区。2013年1月15日，国内首家3D打印体验馆在北京工业设计创意产业基地开业。
在我国，随着3D打印技术在桌面级机器领域的逐渐成熟和应用，2013年民用市场有望迅速崛起，2013年5月将在中国举行世界3D打印技术产业大会。有关专家预计，随着社会关注和投入程度的提高而加速发展，整个产业将迎来量的飞跃，其中3D打印机设备制造、材料供应、模型软件供应，以及3D打印服务等行业将飞速发展。
1.4、研究积累和已取得的成绩
本次项目的负责人张鹏程和张雪雪同学在2012年8月的江苏省TI杯电子设计大赛的小组赛中，荣获团体一等奖。他们在其中主要负责对传感器特性的模块数学建模分析，设计出频率补偿电路模块。在2013年11月参加的江苏省“和利时杯”电气控制应用设计团体赛中张鹏程同学负责用TBH7812步进驱动芯片设计、调试驱动细分电路作为驱动X-Y螺丝装配机械手，并获得团体一等奖。而且张雪雪同学还在校立项中，基于VB设计出上位机和下位机通信等功能的操作界面。郑孟翰同学在大二下学期末为期4周的智能寻迹小车课程设计，负责用C语言为基于Atmega128单片机的编写了一套相应的函数库，并调试成功，在小组评比中获得优秀。以上是我们项目团队所取得的成绩，同时也为本次项目申请积累了丰富的经验。
1.5、已具备及尚缺少的条件
作为本项目的依托单位工业中心是南京工程学院的直属教学单位，拥有三个省级实验教学示范中心－－先进制造技术与装备综合训练中心、机电综合工程基础训练和中心电工电子实验中心。工业中心实验室占地面积超过2万平方米，实验室或实验基地总数超过50个，其中有两个快速成型实验室，有两台进口快速成型机、一台激光快速成型机、一台三坐标测量机、一台三维激光扫描复合装置、一台ML10 Gold激光干涉仪等设备。已具备项目研发条件。
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2、项目研究目标及主要内容
研究目标
最终制作一台3D打印机样机，主要由打印机核心控制器单元、打印机驱动及电机单元、打印机本体机械机构单元、打印头单元、反馈及检测单元、打印零件分层程序转换单元等组成。该打印机的样机结构框图如下所示。
打印零件分打印反馈及ABS塑料打
层转换程序检测单元印材料
打印机本体机
械机构单元打印机核心
控制单元
打印机
打印头单元
打印机驱动及
步进电机单元
图1 3D打印机结构框图
研究内容
本项目研究内容主要包括：控制主板设计、步进电机驱动控制电路设计、打印头控制系统设计、3D格式（STL）文件的分层及转换设计、操作面板设计、机械本体设计等，具体内容如下。
（1）控制主板设计
控制主板设计采用Atmega128A作为主控制芯片，外围扩展SD卡驱动电路、及步进电机与直流电机控制电路的外扩接口。另设AT89S52作为辅助控制芯片对反馈信号检测、人机交互电路的信号采集、操作面板外扩接口的控制。
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（2）打印头控制系统设计
打印头使用加热板对ABS材料进行加热，同时，并由步进电机控制其Z轴的运动和直流电机控制材料的进给。对于温度控制我们使用热电偶完成他的温度检测并控制在200℃至220℃。
（3）步进电机驱动控制电路设计
驱动电路采用两相步进电机驱动芯片，完成对主控电路发出的脉冲信号进行分配、细分、功率放大，并实现驱动电流可调节、电机的正反转、脱机功能。
（4）3D格式（STL）文件的分层及转换软件设计
基于对分层及转换软件的界面设计，实现打开文件目录、文件选择、保存、内容的显示。以及提供一键分层及格式转换功能，将3D文件转换成单片机能直接执行的指令并生成文件。
（5）操作面板设计
采用LCD液晶屏和独立按键作为人机界面和人机交互电路，完成对打印文件及标准打印、快速打印、精细打印模式的显示与选择，和工作的运行和停止按键功能，另外显示界面需对打印工作的预计时间、已用时间、打印的件数进行显示。
（6）机械本体设计
我们使用AUTO CAD2008设计其机械结构，并根据其要求确定机械结构的材料﹑形状﹑尺寸﹑公差﹑热处理方式和表面状况。
预计突破或解决的关键问题如下：
解决打印机在标准打印、快速打印、精细打印模式下打印头加热速度、材料进给速度及各轴运动的配合问题；
解决STL格式文件无法在控制主板上直接识别的问题。
3、项目创新与特色
本项目的特色：采用加式制造方法，利用逐层增加材料的方式生产各种产品，无需模具，基本不会浪费材料。而以往加工方法是通过模具、车铣等机械加工技术与工具将原材料转化成产品的工艺过程与设备的减式方法，其特征为利用缩削、减少材料来生产部件。
本项目的创新： 本次设计突破了以往单模式打印形式，通过设计实现了三种打印模式——标准打印模式、快速打印模式及精细打印模式，解决了在这三种模式下打印头加热速度、材料进给速度及各轴运动的配合问题；并且还解决以往STL文件无法识别问题，设计出转换软件实现将STL文件转换成控制主板能直接识别的指令文件。
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4、技术路线
根据本项目团队的研究方向和特点，我们制定出如下的技术路线。
（1）三维绘图软件绘制打印零件的三维图形；
（2）开源软件对三维图形完成STL格式文件的转换；
（3）通过格式转换软件将STL格式文件转换成核心控制器能识别的指令并通过USB通信电路传输到核心控制器中；
（4）步进电机驱动器控制步进电机以实现X-Y面和Z坐标轴的三轴联动和材料的进给；
（5）通过操作面板的转换开关实现快速打印、标准打印、精细打印三种模式的装换,由电机限位电路对步进电机的位置参数进行调整；
（6）组装调试样机，完成打印机系统设计。
具体技术路线图如下图所示。
打印零件三维图形STL格式文件转换程序驱动信号驱动信号三维软件开源软件步进电机驱动器（Thb7128驱动芯片）X轴步进电机驱动器（Thb7128驱动芯片）Y轴核心控制器Atmega128单片机打印头Z轴温度控制ABS打印材料操作面板（LCD显示）快速打印标准打印精细打印
图2 技术路线图
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5、研究进度安排
整个项目分五个阶段进行：
第一阶段 方案规划阶段（计划时间：2013.06 —— 2013.07）
1、市场调研；
2、资料查找；
3、项目规划；
4、项目需求分析，以及最终确定项目方案。
第二阶段 系统设计阶段（计划时间：2013.08 —— 2013.12）
1、完成3D打印机系统电气原理图、PCB图设计；
2、完成3D打印机系统机械设计；
3、完成数据采集、处理、统计及上位机软件程序设计。
第三阶段 样机制作阶段（计划时间：2014.01 —— 2014.05）
1、完成样机零件采购、制作；
2、样机装配；
3、专利申请工作；
4、撰写论文。
第四阶段 样机调试阶段 （计划时间：2014.06 —— 2014.12）
1、完成样机硬件装配与调试；
2、完成软件编写与调试。
第五阶段 结题阶段 （计划时间：2015.01 —— 2015.05）
1、完成样机试机联调及试运行工作；
2、撰写项目结题报告；
3、准备课题验收。
6、项目组成员分工
张鹏程 项目的管理进度、核心控制主板、外部接口电路设计、调试及编写硬件程序，撰写项目结题报告。
张雪雪 项目协助管理、单片机程序设计，编写项目报告。
郑孟翰 PCB制作，通讯、上位机软件设计。
徐建 机械本体设计、搭建。
宗如生 硬件设计及整理资料。
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三、学校提供条件（包括项目开展所需的实验实训情况、配套经费、相关扶持政策等）
工业中心实验室占地面积超过2万平方米，实验室或实验基地总数超过50个，其中有两个快速成型实验室，有两台进口快速成型机、一台激光快速成型机、一台三坐标测量机、一台三维激光扫描复合装置、一台ML10 Gold激光干涉仪等设备。已具备项目研发条件。
四、预期成果
1、
2、一份项目结题报告
3、发表一至两篇相关学术论文
4、申请实用新型专利一到两项
五、经费预算
总经费（元）
名称
调研、差旅费
电子、电气元件采购
机械结构加工费
制板费
材料费
论文专利费用
其他
财政拨款（元）
经费
学校拨款（元）
说明
注：总经费、财政拨款、学校拨款由学校按照有关规定核定数目进行填写
调研和查阅大量相关资料及交通
控制芯片、外围芯片、传感器、电机驱动器件等
机械传动结构、打印头制作
电路PCB制板
使用的打印材料
发表1-2篇论文，申请1-2项实用新型专利
购买相关书籍以及相关资料打印费用
12
六、导师推荐意见
签名：
2013年 4月 20日
七、院系推荐意见
院系负责人签名： 学院盖章：
年 月 日
八、学校推荐意见：
学校负责人签名： 学校公章
年 月 日
注：表格栏高不够可增加。
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2024年1月10日发(作者：甘游)
江苏省高等学校
大学生实践创新训练计划项目申报表
推荐学校：
项目名称项目类型（盖章）
基于STM32的ABS塑料3D打印机：
系统设计
√ 重点项目
□ 一般项目
：
□ 指导项目
工学
张鹏程
解乃军
2013.04.18
所属一级学科名称：
项目负责人：
联系电话：
指导教师：
联系电话：
申报日期：
江苏省教育厅 制
二○一三年三月
1
项目名称
项目所属
一级学科
项目类型
项目实施时间
基于ABS塑料打印材料的3D打印机系统设计
工学
项目所属
二级学科
机械类
（√）重点项目 （ ）一般项目 （ ）指导项目
起始时间：2013年 6月 完成时间：2015年 5月
项
目
简
介
(100字以内）
本项目拟制作一台桌面式3D打印机，打印材料使用ABS塑料。该打印机系统主要由打印机核心控制器单元、打印机驱动及电机单元、打印机本体机械机构单元、打印头单元、反馈及检测单元、打印零件分层程序转换单元等组成。
姓名 年级 学号
所在院系
/专业
联系电话
1095529084@
872422859@
张鹏程
主
持
人
三
工业中心
233100146
自动化（系统集成）
申请人或申请团队张雪雪 三 203100505
自动化学院
数控
郑孟翰 三 233100148
工业中心
自动化（系统集成）
zha1211@
成
员
徐建 三 231100334
工业中心
数控加工
798641668@
宗如生 二 233110147
工业中心
自动化（系统集成）
594126884@
2
第一指导教师
姓名
年龄
解乃军
44
导师：解乃军
单位
专业技术职务
工业中心
高级工程师
1、从事数控技术及自动化的理论和工程研究二十余年，主持并参与过数十种复杂机电装备的产品开发研制工作，其中有三个项目都获得了江苏省科技进步奖：主持研发的复杂机电产品CKH1450数控车铣中心，获2005年度江苏省科技进步二等奖；参与研发的N-084A系列机床获得2005年南京市科技进步一等主要成果
奖；主持研发的N-094车磨复合加工机床项目获得2007年江苏省科技进步三等奖；参与研发的第一代CK7815产品曾获得国家级银奖。
2、2008年进校工作以来，指导学生参加各类大学生竞赛多次，均取得良好成绩；工业中心自动化（系统集成）专业教研室教师；
指导教师3、2011年6月-2012年6月，指导学生完成省大学生创新项目1项，通过成绩：“良好”。
第二指导教师
姓名
年龄
张军
35
导师：张军
1、2012年3月，南京航空航天大学导航、制导与控制专业博士研究生毕业。工业中心自动化（系统集成）专业教研室教师；
2、完成科研论文多篇；
3、指导学生自动化学院的孙超祥、材料工程学院的树西等组成主要成果
的参赛队在水中机器人全局视觉花样游泳比赛中战胜众多强队，勇夺冠军。
单位
专业技术职务
工业中心
博士/讲师
3
一、申请理由（包括自身具备的知识条件、自己的特长、兴趣、已有的实践创新成果等）
张鹏程（第一负责人）：具有一定的领导与组织能力，学习成绩优秀，曾2次获得校一等奖学金；对模拟电路设计、C语言程序设计有浓厚的兴趣，擅于发现和总结问题；擅长课程有《模拟电子技术》、《数字EDA技术》、《电机与拖动基础》、《单片机原理及应用》、《传感器与检测技术》、《嵌入式微控制器》、《自动控制原理》等；能熟练使用汇编/C/C++/VB、AutoCAD2008、Matlab、Altium Desiger9、Multisim11.0等软件；在2012年8月参加江苏省（TI杯）电子设计大赛荣获一等奖，在2012年11月参加江苏省“和利时杯”电气控制应用设计一等奖以及在2012年12月参加第七届全国信息技术应用水平大赛小组二等奖。
张雪雪（第二负责人）：学习认真踏实，专业知识很强,曾在2011年 -2012年荣获国家奖学金，2010年 -2011年荣获国家1次励志奖学金 ，2次特等奖学金，1次一等奖，2次二等奖，多次荣获“校级三好学生”、“校优秀学生干部”、“校优秀团员”称号 ，曾被评为“校十大标兵提名” ；对PLC的相关知识有一定的了解，使用过多款单片机，对EDA技术有一定研究，学习过LINUX操作；在2012年6月参加 南京工程学院“飞兆杯”电子设计大赛荣获一等奖，在2012年8月参加江苏省T（TI杯）电子设计大赛荣获一等奖。
徐建（项目成员）：
自学能力、创新意识强，对机械设计、数控机床、单片机和PLC比较感兴趣；熟练UG、Auto CAD三维画图软件、数控编程技巧；在2013年亚太区（香港）水下机器人竞赛亚军，申请实用性新型专利一项。
郑孟翰（项目成员）：具有一定的学习能力和反应能力，有较强的创新意识。进入大学以来，根据学习兴趣与专业方向，在所学的专业课中，擅长课程有《C语言》、《汇编语言》、《微机原理》、《单片机原理及应用》；熟练使用、VC、CAD画图软件、Protues仿真等软件；自己自学过51开发板，现学会使用多款单片机,并独立设计多个软件程序，对USB2.0通信很感兴趣。
宗如生（项目成员）：平时喜欢看一些计算机和电子方面的专业书籍及动手能力强，对新鲜的事物有很强的探求意识；掌握单片机技术、数字EDA技术，模拟电子技术，电机学，c语言，autocad等，参加过专业方面技能培训，比较擅长及爱好电子产品的制作。
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二、项目方案
1、项目研究背景（国内外的研究现状及研究意义、项目已有的基础，与本项目有关的研究积累和已取得的成绩，已具备的条件，尚缺少的条件及方法等）
1.1、国外的研究现状
“快速制造”概念由美国科学家率先提出，世界上第一台3D打印机也诞生在美国，是由美国3D Systems公司在1986年研发成功的。3D Systems是最早生产SLA快速成型机的公司，率先提出STL格式的快速成型文件格式，此格式已广泛应用于各种类型的快速成型设备。2004年，推出光固化三维打印机，以光敏树脂为实体材料，以蜡为支撑材料。
美国麻省理工学院（MIT）的Scans E.M.于1989年首先申请到基于喷射粘接剂的三维打印成型专利。美国Z Corporation 公司于1995年得到美国麻省理工学院的专利授权，从1997年陆续推出系列三维打印成型机。2005年初，推出高清晰度的Z510彩色三维打印机，成型尺寸为254mm*365mm*203mm,采用四个HP喷墨打印头。打印速度达2层/分钟，层厚为0.089——0.203mm,分辩率达600*540dpi,可快速制作24位色彩的高清晰度零件，非常适合于概念模型制作。Z
Corporation 公司十多年来致力于粘结材料3DP(three dimensional printing)快速成型设备的研制和生产，已开发并推广了高速成型、彩色成型、大尺寸零件成型等多个系列的粘结材料3DP快速成型设备，成型材料有石膏、淀粉、人造高弹橡胶、熔模铸蜡和可直接铸造低熔点金属的铸造砂等，目前在快速成型市场占有率最高。
OBJET Geometries公司主要研发光固化三维打印设备和成形材料。2000年，推出第一台光固化三维打印机，所有喷头共含1536个喷嘴孔，喷射宽度为60mm,成形精度非常高，每层厚度最小达0.02mm。目前，该公司正在研发三维打印材料自由组装的光固化设备，可以一次成形具有不同特性的多种材料，打印的同时即组装成装配零件，是一种比较新颖的技术，目前市场前景十分看好。
Sangers Design International公司推出的Rapid Tool Maker机器，采用热塑性塑料为实体材料，蜡为支撑材料，机器尺寸为174*66*167.5cm, 最大成件尺寸为90*30*30cm，成形精度为5*5*3um，最小层厚0.012mm，售价约为12万美金。
英国一名科学家设计出一款一次成型的尼龙自行车．美国学者设计出巨大的3D打印机。能在20小时之内打印出一套房子，更震撼的是，在2050年前直接打印出一架飞机所有零部件的愿望也可能实现，而人造牙齿、人造骨骼、人造血管⋯⋯3D打印在医疗领域的全面开花也令人侧目。
2012年9月19日，著名科技杂志《Wired》的主编Anderson专门撰文介绍了3D打印机的进展情况，并起来一个以危言耸听般的标题“The New MakerBot Replicator Might Just Change Your
World（新的MakerBot Replicator或将改变你的世界）”。世界首个公布3D打印机开源数据信息的
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科学家、英国工程学家阿德里安•鲍耶曾向媒体表示：“3D打印机将来不是要取代某一个制造业，而是要取代几乎所有的制造业。”
1.2、国内的研究现状
据了解，我国3D打印机行业的科研团队主要包括清华大学颜永年团队、华中科技大学史玉升研究团队、西安交通大学卢秉恒团队，及北京航空航天大学王华明团队等，这些研究团队在不同领域都取得了良好的业绩。同济大学的张曙教授团队对粘结材料三维打印技术进行了比较系统的研究，研究内容包括三维打印设备的研制、成形材料的配方优化和成形工艺试验。南京理工大学的王建、叶迎华研究了光固化三维打印在制造化学芯片上的应用。西安交通大学的劳奇成和卢秉恒对喷蜡打印喷头的结构、原理、驱动信号时序以及驱动电压波形对喷头喷射效果的影响进行了研究等。
沈阳新松机器人自动化股份有限公司则是目前A股上市公司中唯一能提供成套金属3D打印设备的上市公司，该公司依托激光加工技术优势，拓展激光成套装备业务，于2012年3季度成功研制出激光快速成型设备，俗称“3D打印机”，该设备集中展现了公司在激光加工方面的丰富经验，采用了包括兼顾加工速度和加工精度的双光束熔覆技术、冷却保护气体释放应力技术、保护性气体配方，以及对应于不同金属材料的专用工艺方法等。公司生产的用于激光快速成型的高功率激光器，保证三维成型的高精度5轴联动数控专用机床，激光加工头和传送钛合金粉末的自动送粉器等设备成功装配在激光快速成型设备上，该设备主要采用金属原料，可用于加工核心部件，为我国新型航空、航天、船舶等高端装备制造领域的生产制造提供了有力保障。同时该公司的另一项高端产品——纳米制版3D打印机已成为公司新的利润增长点。纳米制版打印技术为世界首创，制版一次成型无污染、绿色环保，是制版技术的革命性更新换代的产品。纳米材料制版技术不仅完全满足目前主流印刷业务在精度、速度、质量上的要求，而且解决了设备、耗材成本高以及环境污染、浪费资源的问题，完成了制版技术从感光时代到非感光时代的跨越。
我国各地政府对3D打印技术的发展也进行了大力的扶持与推动，我国首个3D打印工业园将落户武汉东湖高新区，目前武汉市发改委等部门针对3D打印产业，正在摸底调查，拟着手编制规划并予以扶持培育。广东省东莞市则将3D打印写入了今年的地方政府工作报告。
1.3、研究意义
按照传统的说法，第一次产业革命开端于英国的伦敦，机械取代了手工劳作，诞生了现代意义的“工厂”；第二次产业革命发生在美国的西雅图，由福特开创的流水线工业生产使得规模化生产成为可能。而第三次产业革命，是使工业回归单个产品的精细加工，在数字化的帮助下，降低定制产品的成本。
3D打印技术是在数字化技术支持下实现单个产品精细化加工的一种主要方式，它代表了未
来制造业发展的新方向——加式制造。加式制造是相对于减式制造而言的。减式制造，即通过模具、
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车铣等机械加工技术与工具将原材料转化成产品的工艺过程与设备的总称，其特征为利用缩削、减
少材料来生产部件。自古以来，减式制造就是人类生产的主要方式，更是现代制造工业的基础。而加式制作是利用逐层增加材料的方式生产各种产品，无需模具，因此也被称为无形制造技术。让产
品从设计到制造之间只相隔一个“打印”按钮的距离。
如今3D打印主要应用于两大领域，一是工程类制造，二是民用发展。在工程类制造方面，一方面是应用于国防军工、航空航天等高端制造的重要零部件生产，这些部件生产要求高，传统工艺往往无法达到或者成本过高。另一方面是用于工程制造的小批量或者单件产品生产，相对于批量生产拥有巨大的成本优势。
随着3D打印为社会所广泛关注，民用市场迅速崛起，3D打印开始应用于做模型、礼品、纪念品甚至工艺品的制作，2012年12月31日，全国首家3D打印照相馆落户西安高新区。2013年1月15日，国内首家3D打印体验馆在北京工业设计创意产业基地开业。
在我国，随着3D打印技术在桌面级机器领域的逐渐成熟和应用，2013年民用市场有望迅速崛起，2013年5月将在中国举行世界3D打印技术产业大会。有关专家预计，随着社会关注和投入程度的提高而加速发展，整个产业将迎来量的飞跃，其中3D打印机设备制造、材料供应、模型软件供应，以及3D打印服务等行业将飞速发展。
1.4、研究积累和已取得的成绩
本次项目的负责人张鹏程和张雪雪同学在2012年8月的江苏省TI杯电子设计大赛的小组赛中，荣获团体一等奖。他们在其中主要负责对传感器特性的模块数学建模分析，设计出频率补偿电路模块。在2013年11月参加的江苏省“和利时杯”电气控制应用设计团体赛中张鹏程同学负责用TBH7812步进驱动芯片设计、调试驱动细分电路作为驱动X-Y螺丝装配机械手，并获得团体一等奖。而且张雪雪同学还在校立项中，基于VB设计出上位机和下位机通信等功能的操作界面。郑孟翰同学在大二下学期末为期4周的智能寻迹小车课程设计，负责用C语言为基于Atmega128单片机的编写了一套相应的函数库，并调试成功，在小组评比中获得优秀。以上是我们项目团队所取得的成绩，同时也为本次项目申请积累了丰富的经验。
1.5、已具备及尚缺少的条件
作为本项目的依托单位工业中心是南京工程学院的直属教学单位，拥有三个省级实验教学示范中心－－先进制造技术与装备综合训练中心、机电综合工程基础训练和中心电工电子实验中心。工业中心实验室占地面积超过2万平方米，实验室或实验基地总数超过50个，其中有两个快速成型实验室，有两台进口快速成型机、一台激光快速成型机、一台三坐标测量机、一台三维激光扫描复合装置、一台ML10 Gold激光干涉仪等设备。已具备项目研发条件。
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2、项目研究目标及主要内容
研究目标
最终制作一台3D打印机样机，主要由打印机核心控制器单元、打印机驱动及电机单元、打印机本体机械机构单元、打印头单元、反馈及检测单元、打印零件分层程序转换单元等组成。该打印机的样机结构框图如下所示。
打印零件分打印反馈及ABS塑料打
层转换程序检测单元印材料
打印机本体机
械机构单元打印机核心
控制单元
打印机
打印头单元
打印机驱动及
步进电机单元
图1 3D打印机结构框图
研究内容
本项目研究内容主要包括：控制主板设计、步进电机驱动控制电路设计、打印头控制系统设计、3D格式（STL）文件的分层及转换设计、操作面板设计、机械本体设计等，具体内容如下。
（1）控制主板设计
控制主板设计采用Atmega128A作为主控制芯片，外围扩展SD卡驱动电路、及步进电机与直流电机控制电路的外扩接口。另设AT89S52作为辅助控制芯片对反馈信号检测、人机交互电路的信号采集、操作面板外扩接口的控制。
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（2）打印头控制系统设计
打印头使用加热板对ABS材料进行加热，同时，并由步进电机控制其Z轴的运动和直流电机控制材料的进给。对于温度控制我们使用热电偶完成他的温度检测并控制在200℃至220℃。
（3）步进电机驱动控制电路设计
驱动电路采用两相步进电机驱动芯片，完成对主控电路发出的脉冲信号进行分配、细分、功率放大，并实现驱动电流可调节、电机的正反转、脱机功能。
（4）3D格式（STL）文件的分层及转换软件设计
基于对分层及转换软件的界面设计，实现打开文件目录、文件选择、保存、内容的显示。以及提供一键分层及格式转换功能，将3D文件转换成单片机能直接执行的指令并生成文件。
（5）操作面板设计
采用LCD液晶屏和独立按键作为人机界面和人机交互电路，完成对打印文件及标准打印、快速打印、精细打印模式的显示与选择，和工作的运行和停止按键功能，另外显示界面需对打印工作的预计时间、已用时间、打印的件数进行显示。
（6）机械本体设计
我们使用AUTO CAD2008设计其机械结构，并根据其要求确定机械结构的材料﹑形状﹑尺寸﹑公差﹑热处理方式和表面状况。
预计突破或解决的关键问题如下：
解决打印机在标准打印、快速打印、精细打印模式下打印头加热速度、材料进给速度及各轴运动的配合问题；
解决STL格式文件无法在控制主板上直接识别的问题。
3、项目创新与特色
本项目的特色：采用加式制造方法，利用逐层增加材料的方式生产各种产品，无需模具，基本不会浪费材料。而以往加工方法是通过模具、车铣等机械加工技术与工具将原材料转化成产品的工艺过程与设备的减式方法，其特征为利用缩削、减少材料来生产部件。
本项目的创新： 本次设计突破了以往单模式打印形式，通过设计实现了三种打印模式——标准打印模式、快速打印模式及精细打印模式，解决了在这三种模式下打印头加热速度、材料进给速度及各轴运动的配合问题；并且还解决以往STL文件无法识别问题，设计出转换软件实现将STL文件转换成控制主板能直接识别的指令文件。
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4、技术路线
根据本项目团队的研究方向和特点，我们制定出如下的技术路线。
（1）三维绘图软件绘制打印零件的三维图形；
（2）开源软件对三维图形完成STL格式文件的转换；
（3）通过格式转换软件将STL格式文件转换成核心控制器能识别的指令并通过USB通信电路传输到核心控制器中；
（4）步进电机驱动器控制步进电机以实现X-Y面和Z坐标轴的三轴联动和材料的进给；
（5）通过操作面板的转换开关实现快速打印、标准打印、精细打印三种模式的装换,由电机限位电路对步进电机的位置参数进行调整；
（6）组装调试样机，完成打印机系统设计。
具体技术路线图如下图所示。
打印零件三维图形STL格式文件转换程序驱动信号驱动信号三维软件开源软件步进电机驱动器（Thb7128驱动芯片）X轴步进电机驱动器（Thb7128驱动芯片）Y轴核心控制器Atmega128单片机打印头Z轴温度控制ABS打印材料操作面板（LCD显示）快速打印标准打印精细打印
图2 技术路线图
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5、研究进度安排
整个项目分五个阶段进行：
第一阶段 方案规划阶段（计划时间：2013.06 —— 2013.07）
1、市场调研；
2、资料查找；
3、项目规划；
4、项目需求分析，以及最终确定项目方案。
第二阶段 系统设计阶段（计划时间：2013.08 —— 2013.12）
1、完成3D打印机系统电气原理图、PCB图设计；
2、完成3D打印机系统机械设计；
3、完成数据采集、处理、统计及上位机软件程序设计。
第三阶段 样机制作阶段（计划时间：2014.01 —— 2014.05）
1、完成样机零件采购、制作；
2、样机装配；
3、专利申请工作；
4、撰写论文。
第四阶段 样机调试阶段 （计划时间：2014.06 —— 2014.12）
1、完成样机硬件装配与调试；
2、完成软件编写与调试。
第五阶段 结题阶段 （计划时间：2015.01 —— 2015.05）
1、完成样机试机联调及试运行工作；
2、撰写项目结题报告；
3、准备课题验收。
6、项目组成员分工
张鹏程 项目的管理进度、核心控制主板、外部接口电路设计、调试及编写硬件程序，撰写项目结题报告。
张雪雪 项目协助管理、单片机程序设计，编写项目报告。
郑孟翰 PCB制作，通讯、上位机软件设计。
徐建 机械本体设计、搭建。
宗如生 硬件设计及整理资料。
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三、学校提供条件（包括项目开展所需的实验实训情况、配套经费、相关扶持政策等）
工业中心实验室占地面积超过2万平方米，实验室或实验基地总数超过50个，其中有两个快速成型实验室，有两台进口快速成型机、一台激光快速成型机、一台三坐标测量机、一台三维激光扫描复合装置、一台ML10 Gold激光干涉仪等设备。已具备项目研发条件。
四、预期成果
1、
2、一份项目结题报告
3、发表一至两篇相关学术论文
4、申请实用新型专利一到两项
五、经费预算
总经费（元）
名称
调研、差旅费
电子、电气元件采购
机械结构加工费
制板费
材料费
论文专利费用
其他
财政拨款（元）
经费
学校拨款（元）
说明
注：总经费、财政拨款、学校拨款由学校按照有关规定核定数目进行填写
调研和查阅大量相关资料及交通
控制芯片、外围芯片、传感器、电机驱动器件等
机械传动结构、打印头制作
电路PCB制板
使用的打印材料
发表1-2篇论文，申请1-2项实用新型专利
购买相关书籍以及相关资料打印费用
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六、导师推荐意见
签名：
2013年 4月 20日
七、院系推荐意见
院系负责人签名： 学院盖章：
年 月 日
八、学校推荐意见：
学校负责人签名： 学校公章
年 月 日
注：表格栏高不够可增加。
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