基于FDM 3D打印机仿真软件的设计与实现

宋平莲++江素华

摘要：该文以PC为平台，以3D SYSTEM公司生产的FDM 3D打印机—3D Touch BFB-3000为原型，开发一个基于OpenGL的3D打印机仿真软件系统。该系统能较清楚的演示3D打印过程。

关键词：快速成型；仿真软件系统；3D打印

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）24-0134-02

The Design and Implementation of the FDM 3D Printer Based Emulation Software

SONG Ping-lian， JIANG Su-hua

（Qingdao Binhai University， Qingdao 266555， China）

Abstract： In this paper， an OpenGL， 3D printer emulation system is developed that is prototyped on the FDM Touch BFB-3000 manufacured by 3D SYSTEM company on the PC platform.The system can more clearly demonstrate 3D printing process.

Key words： rapid prototyping； simulation software； 3D printing

1引言

快速成型技术是20世纪80年代后期发展起来的一种先进制造技术。其是利用三维CAD的数据，通过快速成型机，将一层层的材料堆积成实体原型。形象地讲，快速成型系统就像是一台“立体打印机”，因此得名“3D打印机”。

快速成型的方式有很多，目前已出现的RP技术的主要工艺有：熔融沉积成型（FDM）、选择性激光烧结成型（SLS）、光固化成型（SLA）、分层实体制造成型（LOM）等。

在3D打印技术中，FDM的机械结构最简单，设计也最容易，制造成本、维护成本和材料成本也最低，因此也是在家用的桌面级3D打印机中使用得最多的技术，而工业级FDM机器，主要以Stratasys公司产品为代表。FDM 3D打印机，与其他快速成型工艺的主要不同在于，其构成零件的每个层片是由材料丝熔融堆积而成的。成型过程中，材料在喷头内被加热熔化，并以一定的压力由喷头沿产品截面轮廓和填充轨迹运动挤出，与前一层粘接在一起，逐层叠加，直至原型成品完成。FDM快速成型技术已广泛应用于汽车、机械、航空航天、家电、通讯、电子、建筑、医学、玩具等产品的设计开发过程。

2主要研究内容

本文研究重点是FDM 3D打印机仿真软件的设计与实现，本仿真系统基于OpenGL，集合MFC类库，使用Microsoft Visual C++6.0工具在Windows环境下开发而成。

2.1 打印机三维模型的建立

在分析FDM 3D打印机结构的基础上，利用VisualC++、OpenGL提供的绘图函数创建3D打印机的立体模型，主要是打印机外观、工作台、挤出机和喷头等模型的建立。通过对模型进行颜色、光照以及材质的设置从而渲染模型以获得逼真的仿真打印环境

2.2 BFB文件的解析和预打印检查

3D Touch打印机的接口文件格式为bfb格式，解析BFB文件主要是分析bfb文件结构和提取出文件中的模型信息。bfb文件有两种，一种是现有的bfb文件，由STL模型在Axon分层软件中转换得来；另一种是自己手动编写的bfb文件。

bfb文件在打印前须进行代码错误检查，一般代码的错误类型主要有词法错误和语法错误。将手动输入或载入的现有的bfb文件代码进行翻译，当文件检查合格后，驱动3D打印机的打印操作，实现整个打印过程的模拟。

2.3 打印路径仿真算法研究

现有的bfb文件，是由STL文件在分层软件中进行处理获取的，生成的bfb文件中含有打印路径的信息，但是这些路径扫描速度较慢、空行程多，成型率低。针对打印模型，可以在手写的bfb文件中改进其路径扫描算法，尽可能地减少打印时间，提高打印效率。

2.4 打印过程可视化和分层轮廓预览

通过对bfb文件的解析，提取出文件中打印机喷头的运动坐标，利用VisualC++、OpenGL将打印过程可视化，同时可以分层预览模型打印的轮廓图。

2.5 人机交互界面的开发

通过VC++6.0中的MFC框架，设计开发出友好的交互控制界面。用户可以通过虚拟的操作面板实现了bfb文件的导入、检查等操作，方便地进行视图转换、缩放及视角变化，并能控制打印机的工作状态如开始、暂停、结束等一系列操作。

3仿真软件各功能模块

在设计过程中，首先根据各部分功能进行模块划分并进行设计，最后再将各个模块连接起来组成完成的仿真系统。

3.1 文件管理

文件管理主要包括bfb文件的管理模块和系统帮助模块。

bfb文件的管理模块：主要功能是负责bfb文件的存储，包括现有的bfb文件和手动编写的bfb文件。

系统帮助模块：用户使用本仿真软件过程中如果遇到问题，可以通过帮助菜单打开文件来查询如何使用本仿真软件。

3.2 打印仿真环境

打印仿真环境包括打印机模型设计模块和人机交互模块。

打印机模型设计模块：使用OpenGL自身提供的绘图函数建立实体模型，主要是打印机外观、工作台、挤出机和喷头等模型的建立。然后对模型添加颜色、光照、材质以获得逼真的仿真打印环境。

人机交互模块：本仿真软件是以实时的人机交互为基础，完成对打印过程的控制，具体有打印状态的控制、打印速度的控制、视图选择、试图缩放等。同时，也可以控制仿真显示的内容，分层轮廓预览或者打印过程预览。具体实现方式则以MFC为基础创建功能菜单、操作面板来完成。

3.3 打印仿真过程

打印仿真过程包括bfb文件解释模块、bfb文件检查模块、打印显示模块。

bfb文件解释模块：负责把bfb文件中的代码翻译成3D打印机的执行动作。一般可以从bfb文件代码中提取出打印机喷头的运动坐标、进给率、打印温度、马达速度和转速。

bfb文件检查模块：负责bfb文件代码的错误检查，文件检查合格后才能进行下一步的打印操作。

打印显示模块：主要作用是将FDM 3D打印机打印模型的整个过程可视化，用户可以预览打印机的运动路径，同时也可以预览每一层轮廓。

4小结

本仿真系统为了使虚拟打印的仿真过程模拟的更加逼真，采用了OpenGL中的双缓存技术，以前后缓存交换的方式通过不断刷新绘制图形并形成动画。

参考文献：

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