3D 打印机操作系统

定义

3D打印机操作系统是连接用户与3D打印机操作系统的实时环境，用于弥合用户与3D打印机操作或特定打印作业之间的差距。它非常类似于打印机的操作系统，其主要目的是协调、控制和调节打印机及其子程序的运行：接收命令，解释3D打印机使用的控制代码（称为G代码），并与电机、传感器、挤出机等其他外围设备进行交互。3D打印机操作系统可以以两种形式存在

• 基于固件的系统：这些是基本应用程序，位于打印机控制面板的较低层。
• 专用3D打印操作系统：这是一个安装在不同计算机或微控制器（如Raspberry Pi）上的下级程序。它的作用是管理该设备与3D打印机之间的通信。

切片集成

• 一些现代操作系统附带切片软件，用于获取3D模型文件（通常是STL格式）并将其转换为G代码。此切片过程很重要，因为它定义了打印机挤出机需要遵循的路径才能制造出物体。

连接性和远程管理

• 3D打印机的最新操作系统应内置连接选项，以便从其他区域进行控制和监视。Wi-Fi、以太网或蓝牙等功能使用户能够通过Web浏览器界面或智能设备上的应用程序传输打印作业、开始或暂停打印以及监视状态。
• 事实上，甚至有像OctoPrint这样的操作系统支持网络摄像头/传感器监控，这对于进行长时间打印或工业用途非常有益。

3D打印机操作系统的类型

在3D打印领域有几种类型的操作系统——所有这些都取决于打印机的复杂程度及其执行多种功能的预期用途。这些可以大致分为固件解决方案、专用3D OSP和通用操作系统。这些类型对实际打印过程有益，并且可以根据需要应用于爱好者和工业环境。

1. 基于固件的系统

基于固件的系统是为处理器中的特定功能设计的预配置或预编程系统。它们嵌入在3D打印机的核心中，直接控制硬件，执行所有必需的操作。它们通常安装在打印机控制面板上，功耗高，并且专门设计用于在实时环境中运行。

示例

• Marlin是一款开源固件，是市场上最受欢迎的固件之一。其图形用户界面在管理打印机的机械和温度等方面提供了极大的灵活性。它与多种类型的3D打印机兼容：笛卡尔坐标系、CoreXY和Delta。由于大量的定制化更改，因此使用它，用户可以根据打印机的用途定制固件。
• Repetier：Repetier支持多挤出机固件、高级代码支持和实时监控支持。它主要旨在实现平稳运行，尤其适用于需要更高精度和性能的打印机。Repetier还与Repetier-Host连接，后者提供了桌面上的切片和控制功能。

基于固件的系统的作用

3D打印机中的嵌入式系统旨在与打印机的相关材料接口，包括步进电机、加热器和温度传感器。

• 解释G代码：固件中的G代码控制打印作业，指令包含所有详细信息，例如挤出机必须如何移动、所需的温度以及所需打印的速度。
• 实时硬件管理：由于固件被编程为固定在控制板上，因此控制固件可以毫无差错地直接控制每次打印的硬件。如果挤出机需要在特定时间更改其位置或停止挤出过程，固件会立即执行。
• 资源效率：基于固件的系统直接在硬件上执行，并针对性能和资源使用进行了优化。这些对于管理热量、机械传动和耗材很重要。

2. 专用3D打印操作系统

专用3D打印操作系统是那些在基本层面上提供更多高级功能的操作系统，它们运行在PC或Raspberry Pi等微控制器上。其他功能包括远程控制、云计算、切片和打印检查。

示例

• OctoPrint：OctoPrint是一款Web应用程序，允许用户通过浏览器界面（一个灵活的命令行工具）控制和监视他们的3D打印机。用户可以根据自己的偏好开始、停止、暂停或恢复打印，并且可以通过Web界面实时显示同时打印状态。它拥有大量的插件，用于扩展和补充功能，包括自动延时摄影、通知和打印质量。

• AstroPrint：AstroPrint是一款基于云的软件，用于直接控制和间接控制3D打印机。AstroPrint高度专注于功能而非形式；它的用户通过云文件共享引导完成上传模型、切片和控制打印作业的过程。此外，它还允许用户将他们的3D模型以及打印偏好存储在云端，以帮助他们远程管理项目。

专用3D打印操作系统的作用

这些系统专为需要更多选择和个性化及适应机会的用户而设计。它们通常用于以下场景：

• 远程监视和控制：当前的技术进步使用户有机会从世界任何地方访问他们的打印机，前提是他们有互联网连接。这些操作系统平台帮助用户上传G代码，并通过Web浏览器或应用程序开始和监视打印过程。
• 高级功能：特别是企业级模型提供了多打印机管理、云、队列以及远程执行的解决方案。例如，如果在打印过程中出现错误，错误会被诊断并修复，无需物理交互。
• 切片集成：AstroPrint提供基于云的切片解决方案，帮助用户为3D打印机安排打印，而无需使用传统的桌面切片器。这还减少了混乱，并让更多人参与进来，无论他们是否完全了解如何设置硬件，或者他们只有一台基本计算机或笔记本电脑。
• 模块化且可扩展：所有这些系统都可以通过插件和附加组件进行扩展，例如耗材电量指示、实时跟踪或与特定打印机和挤出机集成。

选择合适的3D打印机操作系统

选择合适的3D打印机操作系统非常重要，因为它直接影响3D打印机的整体能力、功能和生产力。在做出这一决定时，需要考虑的几个因素包括硬件兼容性以及选择开源还是专有软件的需求。

1. 与3D打印机硬件的交互

在选择运行3D打印机的操作系统时，有一个关键要求：兼容性。操作系统在每台3D打印机上的兼容性可能存在问题，因为硬件可能不同。另一个不应被忽视的因素是确认您正在使用的操作系统是否支持您的打印机硬件。

硬件兼容性的关键方面：要理解硬件兼容性，了解定义此方面的关键要素是有效的。

• 控制板：3D打印机的控制板在某种程度上始终被认为是设备的“大脑”。市面上有许多控制板，包括RAMPS、Duet、Creality主板等；有时，特定的操作系统或固件可能与这些主板不兼容。考虑到上述因素，在选择操作系统时，建议确保操作系统完全支持控制板。
• 步进电机和驱动器：步进电机及其驱动设备必须得到操作系统的支持，因为它们是提供精确运动的关键。有些程序（如Marlin或Repetier）旨在支持各种电机和配置（笛卡尔坐标系、CoreXY、Delta等）。一些更高级的配置，如工业3D打印集成中看到的多电机类型，可能需要额外的固件，例如支持多线程操作的Klipper。
• 传感器集成：专业且特定的3D打印机可以通过自动调平、耗材不足或热失控等传感器来区分。理想情况下，它要求所选操作系统为这些传感器提供最佳支持。一些较大的系统，例如Marlin，支持许多不同类型的传感器，而其他商业系统可能限制传感器的类型。

2. 实际用例（娱乐性3D打印 vs 商业性3D打印）

工业3D打印

工业用户需要更强大、更可靠、更具可扩展性的解决方案。已确定工业3D打印流程复杂，包含许多子流程、零件众多且公差要求精度高。这些用例的正确操作系统应具备以下特性：

• 高级功能和自动化：工业环境所需的AutoCAD功能可能包括自动按下打印按钮、错误检查以及与车间其他CAD/CAM设备的兼容性。目前市面上的专业级商业软件有GrabCAD Print或Simplify3D，它们提供了作业调度、全面报告等功能，这在管理大量打印机时非常有价值。
• 多材料和多打印机支持：许多工业应用可能需要同时运行多个3D打印机，系统必须能够容纳它们。操作系统的要求之一是它能够从单个位置管理多个打印机系统。虽然有网络化的Repetier-Server用于处理多个打印机，但还有许多商业版本集成了通过云端进行远程监控和控制的系统。

• 高性能和高速度：工业FDM 3D打印机可能具有更高级的功能，适用于更大、更复杂的组件和结构。Klipper基于早期Marlin固件；它允许使用另一个处理器进行计算，从而解放了打印机控制板。因此，它可以在不损失精度的情况下加快打印速度。
• 可靠性：可靠性设计原则对于工业应用和利用过程至关重要。客户支持得到加强，更新生产增加，专有操作系统的稳定性不会对工业级产品的性能产生负面影响。

3D打印机操作系统的优点和局限性

1. 精确度和控制

• 高级校准功能：Marlin有付费版本，包括微步进选项，可以精细调整步进电机的控制和挤出机的温度控制。这可以减少失真和不均匀性；因此，打印非常精确且细节丰富。
• G代码优化：操作系统高速转换或生成G代码的能力提供了对打印机运动路径规划的良好控制，并且实际打印的物体符合模型的尺寸。Simplify3D在创建G代码和通过更好的工具获得更好的打印方面做得非常出色。

2. 自动化和工作流程效率

• 自动打印调度：Repetier-Server和OctoPrint等软件允许用户对打印件进行排序和组织列表，甚至决定何时开始实际打印过程。这在制造、生产和其他领域需要制作多个新打印件时尤其有利。
• 错误检测和恢复：因此，一些专有系统（包括AstroPrint）利用了这种配置，能够识别问题（例如，耗材不足或床平整度不当）并有机会暂停打印一段时间。这可以节省原材料成本和产品生产所需的时间。

3. 远程管理和监控

• 云集成：一些常用的应用程序是AstroPrint和OctoPrint，它们允许用户通过基于Web的用户界面通过Internet管理打印。这意味着用户可以在不靠近打印机的情况下订购、检查甚至取消打印。
• 多打印机管理：在许多情况下，可能需要确保一定数量的3D打印机参与工业生产并位于特定位置。一些程序（包括Repetier-Server）用于处理多个打印机，因为用户可以检查打印机的状态，甚至可以从特定位置设置打印机，而无需在打印机之间切换。

4. 与CAD/CAM软件集成

一些操作系统非常适合专业用途，甚至包括CAD/CAM应用程序，这些应用程序可以促进从设计到打印的高效转换。

• 简化的文件处理：它们包括GrabCAD Print，允许直接从CAD程序开始打印，而无需导出模型或进行切片。这减少了正常过程中可能发生的错误，从而提高了效率和速度。
• 自动切片：专有系统通常具有切片选项，这些选项可以预设为一组理想的值，以优化3D模型以进行打印，而无需用户手动调整这些设置。因此，它们可以变得包罗万象且省时。

局限性

1. 硬件兼容性问题

• 对专有硬件的支持有限：一些操作系统（例如Marlin，一个开源操作系统）不允许用户使用专有硬件，这会限制其与某些打印机的利用。例如，它仅限于特定工业3D打印机型号的需求，并且只能与其制造商的特定操作系统配合使用。
• 复杂的定制要求：尽管Repetier和Klipper等应用程序提供了极大的灵活性，但这实际上是通过深入了解打印机硬件来限制用户的灵活性。由于它是一个开源平台，因此存在许多用户定义的参数，例如步进电机控制、热传感器和挤出机，这需要大量时间。

2. 对专业功能的有限支持

• 多材料打印：并非所有操作系统都能提供足够的支持，尤其是在处理多材料打印时。尽管在Repetier和Simplify3D等其他解决方案在支持双挤出方面有所改进，但通常情况下，许多其他用于控制3D打印机的开源系统不支持双材料的更改，或者可能需要大量校准才能进行此类过程。
• 高速打印：一些基于固件的实现（例如Marlin）可能不如Klipper快，Klipper的硬件可以让客户使用外部处理器进行高速运动计算，以满足高速度需求。

3. 缺乏专业支持和文档

• 不一致的更新：另一个巨大的灵活性是，开源系统由开源社区提供更新和错误修复。这意味着用户可能会被锁定，当出现严重问题时无法处理，或者他们可能需要自行识别和解决问题。
• 缺乏专业支持：通常，可以预期开源系统不像专有系统那样获得严格的客户支持服务。这可能是一个主要的缺点，尤其是对于工业客户。

4. 供应商锁定和有限的定制

• 供应商锁定：即使GrabCAD Print或AstroPrint等解决方案通常是特定于供应商的，并且与硬件和软件环境不兼容。这意味着，例如，如果用户希望更换3D打印机品牌或希望使用不同的固件，则可能存在兼容性问题，或者他们需要购买更多许可证。
• 有限的灵活性：专有操作系统在开发时没有这种自由；它们无法根据应用程序的要求更改代码或固件。对于希望完全控制3D打印设备的用户来说，这可能被视为缺点。

与传统操作系统的比较