李軒　　莫紅，　　李雙雙　　王飛躍

3D打印技術(shù)過程控制問題研究進展

李軒1莫紅1，2李雙雙2王飛躍2

3D打印技術(shù)是一種新興的增材制造技術(shù)，許多人認為是一項將要改變世界的“破壞性”技術(shù)，并聲稱該技術(shù)將引發(fā)新一輪工業(yè)革命.本文根據(jù)3D打印技術(shù)涉及的不同核心成型技術(shù)、材料和設備體積等，介紹了3D打印技術(shù)的不同分類，綜述了主流3D打印過程控制技術(shù)，指出了3D打印技術(shù)的控制系統(tǒng)存在的問題并提出了產(chǎn)業(yè)化進程中的建議和意見.

3D打印，增材制造，控制系統(tǒng)，產(chǎn)業(yè)化進程

引用格式李軒，莫紅，李雙雙，王飛躍.3D打印技術(shù)過程控制問題研究進展.自動化學報，2016，42（7）:983-1003

3D打印的思想自古有之，早在房舍的構(gòu)建技術(shù)中就有所體現(xiàn)，現(xiàn)代意義上的3D打印技術(shù)于上世紀80年代中期誕生于美國，3D打印技術(shù)以3D模型文件為藍本，將打印材料以特定方式逐層堆積以構(gòu)建三維實物.

進入21世紀，國內(nèi)外大力推出多項3D打印相關(guān)政策或計劃.德國聯(lián)邦教研部（Bundesministerium f¨ur Bildung und Forschung，BMBF）多年前就針對3D打印技術(shù)提出長期的發(fā)展計劃，2011 年5月推出的“德國光子學研究”涉及到對3D打印技術(shù)研究的資助［1］.2012年8月，奧巴馬撥款3000萬美元，在俄亥俄州建立了國家級3D打印工業(yè)研究中心（National Center for Defense Manufacturing and Machining，NCDMM）［2］.我國科技部于2012年發(fā)布的“國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）”就包括了3D打印產(chǎn)業(yè)，并且國家科技重大專項以及國家自然科學基金等科研規(guī)劃中也對3D打印技術(shù)給予了極大的支持.2015年2月28日，3D打印產(chǎn)業(yè)迎來了首份國家級發(fā)展推進政策，工信部正式發(fā)布“國家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進計劃（2015-2016年）”（簡稱“計劃”）.“計劃”指出，鼓勵在材料生產(chǎn)方面具有優(yōu)勢的企業(yè)從事3D打印專用材料的研發(fā)和生產(chǎn)，針對航空航天、汽車、文化創(chuàng)意、生物醫(yī)療等領(lǐng)域的重大需求，突破一批專用3D打印材料［3］.隨著世界各國的大力推進，3D打印技術(shù)滲透到學術(shù)科研、珠寶、工業(yè)設計、建筑及眾多個性化設計領(lǐng)域.每個行業(yè)領(lǐng)域的應用份額如圖1所示.

本文安排如下：第1節(jié)介紹3D打印技術(shù)的分類；第2節(jié)論述主流3D打印技術(shù)過程控制問題研究進展；第3節(jié)為3D打印技術(shù)的展望.

1　3D打印技術(shù)的分類

3D打印技術(shù)的分類現(xiàn)如今沒有形成統(tǒng)一標準，按照成型技術(shù)原理可劃分為熔融沉積成型技術(shù)（Fused deposition modeling，F(xiàn)DM）、選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（Selective laser sintering，SLS）、分層實體制造技術(shù)（Laminated object manufacturing，LOM）、立體光固化技術(shù)（Stereo lithography appearance，SLA）、三維打印粘接成型技術(shù)（Three dimensional printing and gluing，3DP）、數(shù)字光處理技術(shù)（Digital light processing，DLP）、多頭噴射技術(shù)（PloyJet）、選擇性激光熔化技術(shù)（Selective laser melting，SLM）、直接金屬激光燒結(jié)（Direct metal laser sintering，DMLS）、電子束熔煉技術(shù)（Electron beam melting，EBM）等；按照設備的體積可以分為：桌面級、中型、大型3D打印機；按照用途可以分為：航天、軍用、工業(yè)用、民用3D打印機等.本文結(jié)合打印材料和成型原理，將3D打印技術(shù)分為5大類：1）以熱塑性塑料為材料的FDM技術(shù)；2）以紙、金屬膜、塑料薄膜為材料的LOM技術(shù)；3）以石膏粉末、陶瓷粉末為材料，膠水粘接成型的3DP技術(shù)；4）以液態(tài)光敏樹脂為材料的光聚合成型技術(shù)，包含SLA、PloyJet、DLP等成型技術(shù)；5）以金屬、合金、熱塑性、陶瓷等粉末為材料，激光燒結(jié)/熔化成型技術(shù)統(tǒng)稱為激光粉末成型技術(shù)，包含：SLS、DMLS、SLM以及EBM技術(shù)等，如表1所示.本文后續(xù)章節(jié)將按照表1的技術(shù)分類逐一對主流3D打印技術(shù)過程控制問題的研究進展詳細介紹與說明.

圖13D打印市場的行業(yè)應用份額Fig.1　The industry application shares of 3D printing market

2　3D打印技術(shù)過程控制研究現(xiàn)狀

3D打印是一項融合機械工程技術(shù)、計算機軟件技術(shù)、三維模型技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、激光技術(shù)等多種學科的技術(shù).通過對控制技術(shù)的改善和創(chuàng)新，3D打印技術(shù)逐漸走向高速化、精確化、準確化.3D打印成型技術(shù)的不同直接體現(xiàn)在其過程控制系統(tǒng)上.本節(jié)主要介紹3D打印技術(shù)中運用廣泛的打印技術(shù)過程控制系統(tǒng)：1）熔融沉積成型控制系統(tǒng)；2）光聚合成型控制系統(tǒng)；3）激光粉末成型技術(shù)控制系統(tǒng).目前廣泛應用的3D打印過程控制系統(tǒng)，如圖2所示.

圖23D打印過程控制系統(tǒng)分類Fig.2　The classification of 3D printing process control system

2.1熔融沉積成型控制系統(tǒng)

表13D打印技術(shù)的分類Table 1　The classification of 3D printing technology

熔融沉積成型控制研究起源于上世紀90年代，伴隨電子控制設備發(fā)展的突飛猛進，以及3D打印產(chǎn)業(yè)對產(chǎn)品制造速度、質(zhì)量、精度要求的不斷提高，相關(guān)行業(yè)規(guī)則的日益苛刻，促使新技術(shù)、新算法、新設計不斷應用到該技術(shù).熔融沉積成型技術(shù)是將材料熱熔后擠出成型，該技術(shù)動作需要控制系統(tǒng)組合完成，其中硬件設備主要包括：熱熔噴頭、送絲機構(gòu)、運動機構(gòu)、加熱成型室、工作臺5個部分，如圖3所示.成型開始前，運動機構(gòu)將進行成型室的定位，采用限位開關(guān)保證運動機構(gòu)的行程范圍.然后，加熱成型室控制升溫并使溫度保持在70?C，熱熔噴頭將溫度上升至210?C，該溫度下熔融ABS（Acrylonitrile butadiene styrene）或PLA（Polylactide）材料既可保持一定的流動性又能保證很好的打印精度.隨后送絲機構(gòu)按照設定的成型速度擠壓送絲，同時運動機構(gòu)按照計算機設定路徑進行X、Y軸方向二維掃描.當一層掃描完成后，運動機構(gòu)向Z軸方向上移一層，然后熱熔噴頭再進行下一層的運動，新固化的一層牢固地粘在前一層上，如此重復直到整個零件制造完畢，得到一個三維實體模型，整個過程中熱熔噴頭和成型室溫度保持恒定.這些硬件設備作為獨立的子控制模塊組成復雜的熔融沉積成型設備，該設備以上位機發(fā)送的切片數(shù)據(jù)為輸入，由內(nèi)部控制主板統(tǒng)一控制.

圖3　熔融沉積成型控制系統(tǒng)Fig.3　FDM control system

熔融沉積成型控制子系統(tǒng)介紹：1）熱熔噴頭控制；2）送絲機構(gòu)擠出控制；3）運動機構(gòu)掃描路徑控制；4）加熱成型室控制；5）設備運動控制.

2.1.1熱熔噴頭控制

熱熔噴頭是影響熔融沉積成型技術(shù)成型最重要影響因素之一，熱熔噴頭主要任務是控制加熱過程及內(nèi)部溫度，其次是調(diào)整噴嘴口徑大小.噴頭的溫度要求極其嚴格，溫度過高會導致材料過熱，出現(xiàn)碳化及延流現(xiàn)象；溫度過低，無法將材料熱熔完全，影響打印效果.因此，噴頭加熱、溫度控制及噴嘴設計的控制很重要.

FDM熔融沉積成型技術(shù)中，噴頭的進料方式主要有兩種：美國Stratasys公司開發(fā)錐型螺桿噴頭［4］和柱塞式噴頭［5］.錐型螺桿的噴頭由第一級送料機構(gòu)、第二級加壓送料機構(gòu)、加熱和溫控裝置以及噴嘴組合而成，送絲機構(gòu)將材料送到第二級入口，由螺桿依靠額外的電機驅(qū)動旋轉(zhuǎn)送料.在噴頭的推廣和市場運用上，錐型螺桿式噴頭占有優(yōu)勢，因為螺桿式噴頭［6］結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、易于實施并且能夠提高擠出材料的速度、粘度和流量的均勻性，有利于更快地構(gòu)造零件，提高快速制件的尺寸精度.Batchelder等研究出能夠提供動態(tài)熔融流體流量控制的熱熔噴頭.整個系統(tǒng)包括機械驅(qū)動裝置、送料裝備和熱熔噴頭，該噴頭分為多區(qū)域管理，可以讓熔融材料的溫度得到更好的控制，整體系統(tǒng)采用基于測量壓力的控制器組件配置，使得擠出材料流量驅(qū)動機構(gòu)和消耗材料進給率成為閉環(huán)控制［7］.de Castro等探究了螺桿式噴頭在控制溫度、材料擠壓等工藝參數(shù)變化情況下的成型效果，指出螺旋擠壓噴頭可以讓FDM打印機在未來實現(xiàn)粉末材料打印［8］.彭勇剛等研發(fā)了一種基于多段溫度控制的FDM 3D打印噴頭及溫控方法［9］，利用打印噴頭各段溫度對應漸變的控制方法，保證FDM打印材料時刻保持在可打印狀態(tài)，不會出現(xiàn)由于單一溫度控制，引起溫度過高或者過低造成的工層坍塌、破壞以及堵塞情況，避免了傳統(tǒng)打印噴頭堵塞和斷絲現(xiàn)象，提高了成型產(chǎn)品的質(zhì)量.隨著控制技術(shù)和溫度測量傳感技術(shù)的發(fā)展，更加精確的噴頭溫控得到保證.通用的溫度控制，采用可控硅和溫控器相結(jié)合，利用溫控器自帶的傳統(tǒng)PID算法來實現(xiàn)［10］，但是僅僅采用單一的PID控制方法，其閉環(huán)系統(tǒng)的魯棒性、動態(tài)響應速度較慢，使得噴嘴溫度由常溫上升到給定值時間長，動態(tài)響應速度慢，影響加工效率、使得控制性能難以得到可靠保證；同時，在噴頭接近給定溫度時，沒有調(diào)整措施，使得超調(diào)量大，嚴重影響材料熔融效果，甚至出現(xiàn)材料碳化現(xiàn)象.模糊控制［11］的出現(xiàn)很好地彌補了PID控制的上述缺陷，模糊控制能較好解決被控對象非線性問題，具有優(yōu)秀的動態(tài)響應特性和強魯棒性，使其成為控制領(lǐng)域的代表.但是，模糊控制也存在缺陷，由于模糊規(guī)則以及隸屬度函數(shù)的確定受限于等級設定，因此會存在過渡時間過長等問題.文獻［12］討論了模糊控制和PID控制各自的優(yōu)點，提出一種基于模糊—PID方法對GDM熱熔噴頭進行溫度控制，通過對比單純的PID控制盒模糊控制，該方法具有以下優(yōu)點：基本做到了無超調(diào)，只有升溫過程中稍有波動，溫度的輸出值基本與給定值一致.文獻［13］提出了一種新的熔融成型技術(shù)，該技術(shù)可以產(chǎn)生連續(xù)的熔融滴狀流體.同時有一個熔料的儲集層，在噴嘴中引入一個感應加熱系統(tǒng)，將金屬絲的尖端熔化，并在噴嘴處選擇適當?shù)娜鄣瘟魉賄、功率N、壓力?P1、噴嘴孔直徑d0的穩(wěn)定噴射關(guān)系（如表2所示）.熔滴以穩(wěn)定的流速流出，使系統(tǒng)成為一個連續(xù)熔融滴流成型技術(shù).

2.1.2送絲機構(gòu)擠出控制

FDM技術(shù)的送絲機構(gòu)具有承上啟下作用，主要任務是在成型過程中，熔融狀態(tài)的材料不斷從噴嘴擠出，需要保證原始狀態(tài)的材料可靠地、勻速地進入噴頭.送絲驅(qū)動結(jié)構(gòu)采用一臺或多臺電機帶動不同結(jié)構(gòu)的摩擦輪對材料驅(qū)動，材料被驅(qū)動進入噴頭時對受熱熔融材料產(chǎn)生一定壓強，讓熔融絲材以穩(wěn)定的速度擠出.

表2　參數(shù)V，N，?P1和噴嘴孔直徑d0穩(wěn)定噴射關(guān)系Table 2　The stable jetting relations of the parameters V，N，?P1and diameter d0of the nozzle orifice

確保驅(qū)動力足夠，首先應該從裝置方面改進.增大摩擦輪的摩擦力將有效提高驅(qū)動力.文獻［14］是Stratasys公司公開的FDM技術(shù)3D打印機絲料盒與絲料盒接收器，在實例中可以防止細絲受潮.文獻［15］是Stratasys公司一種FDM系統(tǒng)，裝有驅(qū)動機構(gòu)，所述的驅(qū)動機構(gòu)用于供給細絲束以形成模型，其中電機采用精確伺服電機，包括編碼器，所述的驅(qū)動輥為溝道設計，包含一系列鋸齒狀，用于增加摩擦系數(shù).文獻［16-17］介紹了不同驅(qū)動輪的改進和送絲驅(qū)動力計算.文獻［16］基于主從輪驅(qū)動，并提出主動輪上開V槽的改進結(jié)構(gòu)，建議驅(qū)動摩擦輪V槽卡角為30?C帶來的摩擦力最大.

國內(nèi)大多FDM打印機采用步進電機提供驅(qū)動力，如華中科技大學研制的HRPR系列FDM打印機采用的Lakeside（雷賽）公司的步進電機及驅(qū)動器作為系統(tǒng)的執(zhí)行元件.由于步進電機控制為開環(huán)控制，啟動頻率過高或負載過大易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，國外采用的伺服驅(qū)動系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動器可直接對電機編碼器反饋信號進行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會出現(xiàn)步進電機的丟步或過沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠.Ding等分析了送絲快速成型技術(shù)（Wire-feed AM technology），該技術(shù)使用的焊絲直徑0.2～1.2mm、激光功率為1.2kW和2.06kW時，焊絲進料速度分別為1～2 米/分鐘，焊接尺寸在優(yōu)化的基礎上，力圖采取調(diào)整焊接參數(shù)的方法來解決“臺階效應”［18］.文獻［19］基于模糊算法的伺服電機系統(tǒng)，研究了模糊算法在基于微處理器伺服電機控制的可能，對比了模型參考自適應控制（Model reference adaptive control，MRAC）、PI控制算法后，通過大量的實驗設計和仿真總結(jié)得出：伺服電機由經(jīng)驗豐富的設計者來設定模糊算法規(guī)則和期望值時，在穩(wěn)態(tài)誤差、響應時間、穩(wěn)定時間等重要參數(shù)上有明顯的優(yōu)勢.針對可能出現(xiàn)的絲材粗細不均勻、溫度引起的熔融狀態(tài)絲材阻力變化和抖動等外部干擾，文獻［20-21］給出了自適應滑動模型控制，該研究設計了總滑塊模型系統(tǒng)，其對外界參數(shù)變化和外部環(huán)境干擾有很強的抵抗能力；通過仿真和實驗驗證了自適應滑塊模型系統(tǒng)在控制伺服電機較總滑塊模型系統(tǒng)時有更好的抵抗外界干擾和防抖動能力.

2.1.3運動機構(gòu)掃描路徑控制

影響熔融沉積成型模型制件精度以及翹曲形變的因素很多［22］，例如材料性能、噴頭溫度和成型室溫度影響、填充與擠出速度、三維軟件及掃描路徑等.FDM技術(shù)精確成型是需要整體協(xié)同配合，其中的掃描路徑從形態(tài)上直接影響模型質(zhì)量和加工效率，所以研究掃描路徑及優(yōu)化就顯得異常重要.

通常情況下，3D 打印模型處理流程如下［23］：1）建造三維模型，由三維設計軟件，設計出模型的CAD實體；2）模型的三角網(wǎng)絡化，模型設計后，專業(yè)CAD軟件都自帶轉(zhuǎn)換和輸出STL格式文件功能，STL文件是將模型用一系列小三角形平面逼近原型的處理，是3D打印領(lǐng)域的標準接口文件；3）對三維模型進行切片處理，生成的STL文件模型在Z軸上用等間隔平面切出面片；4）掃描路徑的生成，在切除等間距面片后根據(jù)截面輪廓信息設計掃描路徑.一個優(yōu)秀的掃描路徑要做到如下幾個方面：首先，減少空行程，即減少掃描頭的跳轉(zhuǎn)次數(shù)；其次，減少拉絲現(xiàn)象；再次，成型時應有好的強度，有利于減少層間應力和翹曲變形；最后，優(yōu)化掃描機構(gòu)的運行狀態(tài)，減少噪音和震動，即縮短成型時間并提高成型精度.Onuh等提出發(fā)散星形和對角發(fā)散星形掃描思想，該方法從圖形中間開始掃描，采用X或Y方向以及對角填充方式［24］，這一方法也叫做并行掃描［25］可以減少整層的收縮應力和削弱翹曲形變效應.然而，這一方式缺點也很明顯，將會導致高度的結(jié)構(gòu)各異性，即整個過程是非連續(xù)性路徑，方向的各異性引起頻繁的速度變化，同時增加了掃描路徑的空行程，使得整個成型時間增多.Wasser等介紹了一種退火算法構(gòu)造方式，允許單一路徑進行連續(xù)填充任意形狀的橫截面，該方法將區(qū)域分為多個節(jié)點，節(jié)點的數(shù)量取決于精度要求，采用最近區(qū)域優(yōu)先填充方法，減少了空行程的路徑，提高了掃描效率［26］.Kim和Bertoldi等采用Delaunay三角剖分算法將橫截面和將要填充的三角形空間分解為希爾伯特曲線，然而這種方法只適用于成型高度規(guī)則的對象，不適用于任意邊界對象［27-28］.文獻［29-30］構(gòu)建了輪廓平行掃描，運用等軌跡生成算法來提高掃描效率和表層精度，該方式掃描線沿平行于邊界輪廓線的方向進行掃描，此方法空行程少，但是這種掃描矢量生成算法設計多邊形的復雜操作，形成路徑時間過長.為了減小掃描路徑的起始和停止點，加強路徑規(guī)劃和表面精度要求，文獻［31］提出了一種路徑掃描算法能有效解決上述兩種問題.首先，算法采用分治策略將二維幾何圖形分解為一組凸多邊形；隨后，對于每一個凸多邊形，使用Z字形和輪廓圖案策略組合的方式來確定最佳的掃描方向；最后，將所有的單獨子路徑連接形成一個封閉的曲線路線.表3對比了已存在的混合路徑算法和所提出算法的路徑比較，一般情況下混合路徑算法根據(jù)幾何圖形不同的復雜度掃描路徑在6～11步數(shù)之間，而提出的算法掃描路徑步數(shù)為1.同時，路徑元素也大幅度降低，因此在該掃描路徑下，可以有效加強路徑規(guī)劃和表面精度.

圖4　表3中的路徑圖案Fig.4　Path patterns in Table 3

表3　已存在的混合路徑算法和所提出算法的路徑比較Table 3　Comparison of the proposed method with the existing hybrid method

2.1.4成型室溫度的控制

成型室溫度是指模型成型時，從噴頭擠出絲材時所處的工作室溫度.噴頭溫度和成型室溫度有一定關(guān)聯(lián)性，都需要控制在一定的合理范圍內(nèi)，它們共同影響著成型零件的熱應力大小和表面精度質(zhì)量.

早期的研究大多集中在硬件設備的設計上. 1999年美國Stratasys公司最早提出成型室溫度控制，給出了關(guān)于材料冷卻時間與膨脹系數(shù)、應力松弛量、粘度等的關(guān)系圖，指出擠出材料應該以一種逐漸降溫冷卻的形式使溫度低于其凝固溫度才能使得模型翹曲形變和扭曲變形盡可能地減少［32］.得到最大允許梯度如下：

其中，線性梯度溫度dT/dz表示存在于特定材料中，層厚為h并指向z方向的溫度變化，α為恒定熱膨脹系數(shù)，r為圓柱的半徑，L為模型最大水平長度，δ為最大許可幾何失真.

2004年，Stratasys公司設計了一種高溫控制模型裝置［33］：在模型成型時，成型室內(nèi)維持150?C.隨后，人們開始運用理論分析和軟件模擬控制模型的溫度變化情況.文獻［34］在Matlab軟件的基礎上，運用鄰接矩陣算法模擬了兩種不同掃描情況下，熔融絲材的傳熱模型輸出效果，確定了熔融絲材隨著時間的推移溫度演變規(guī)律及熱應力變化.然而，熔融沉積成型是一個材料從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的變形過程，整個過程中熱量的輸入和傳播貫穿其中.在文獻［34］的基礎上，相關(guān)研究人員又提出熔融沉積成型溫度場有限元模擬及分析.由于成型過程模擬屬于瞬態(tài)熱分析，并且是非線性問題，計算難度較大.文獻［35-36］采用瞬態(tài)非線性熱傳導理論，應用ANSYS的APDL語言基礎下，對ABS材料進行了熔融沉積成型溫度場的有限元模擬，并得出了以下溫度場的分布規(guī)律：1）在X、Y方向下溫度場的分布較為均勻.2）在成型過程中，熱影響區(qū)域是逐漸增大的，開始的時刻熱影響部分區(qū)域，溫度梯度大，隨后的時刻熱影響區(qū)域增大，溫度梯度減小.3）隨著成型過程的進行，熱影響區(qū)域增加的情況下，溫度增加趨于緩和.

2.1.5設備運動控制

FDM系統(tǒng)中設備運動控制就猶如身體軀干一樣重要，從打印過程知道，F(xiàn)DM設備控制系統(tǒng)包括X、Y、Z三軸運動.其中，X、Y軸帶動噴頭在二維平面上掃描出路徑，Z軸帶動工作臺實現(xiàn)二維到三維的轉(zhuǎn)變.所以，三軸的精確定位和運行速度將決定整個執(zhí)行機構(gòu)的性能.

設備運動控制系統(tǒng)包含兩個部件的運動控制，分別是噴頭的X、Y軸運動控制和工作臺Z軸運動控制，具體硬件設備由Stratasys公司注冊專利，文獻［37］設計了一種數(shù)字化可調(diào)裝配平臺制造系統(tǒng)，使用限位開關(guān)，控制噴頭和平臺的運動范圍，并且配有XY平面和Z方向的補償糾偏措施.此外，International Business Machines Corporation文獻［38］提出一種基于打印路徑和環(huán)境變化下微型計算機，自動計算電機驅(qū)動電壓值來控制設備的運動方法.接下來，研究人員從硬件配置和算法問題來考慮設備運動控制系統(tǒng).文獻［39］提出了一種基于DSP數(shù)字化的控制應用方法，該方法以PID控制算法為核心，硬件以Texas Instruments（TI）德州儀器的TMS320F2812（簡稱F2812）DSP為基礎，將PID控制算法運行在DSP環(huán)境上，DSP自動產(chǎn)生所需代碼和相應的PWM脈沖寬度調(diào)制信號驅(qū)動步進電機運行.DSP-2 RCP方案流程如圖5所示.

圖5DSP-2 RCP方框圖Fig.5　DSP-2 RCP block scheme

Ricci等設計了一種基于FPGA（Field programmable gate arrays）的快速成型技術(shù)變速調(diào)控平臺［40］，該設計使用FPGA現(xiàn)場可編程門陣列代替DSP作為控制器的實現(xiàn)形式，優(yōu)勢在于借助硬件仿真模型縮短了設計和成型時間，調(diào)試時間也可以相應縮短.同時，采用FPGA控制平臺可以使用更為復雜先進的控制算法，該設計就分別采用了模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡、自適應控制算法控制電機和平臺的運行.主從式控制系統(tǒng)有其獨特的實時性優(yōu)點，現(xiàn)在也運用在快速成型技術(shù)上.清華大學［41］提出新型運動控制器（Motion controller，MCT），該控制器為系統(tǒng)的核心，工業(yè)控制機為系統(tǒng)支撐單元的雙CPU開放式數(shù)控系統(tǒng).該系統(tǒng)采用功能強大的運動控制器MCT承擔插補計算、位置控制、速度控制等實施任務，滿足了快速成型技術(shù)對實時控制系統(tǒng)的要求. 2.2光聚合成型控制系統(tǒng)

光聚合成型技術(shù)起源于上世紀80年代，是最早研發(fā)的3D打印成型技術(shù)之一.一直以來研究機構(gòu)持續(xù)對該技術(shù)進行深入研究，使其成為技術(shù)成熟、應用廣泛的一種3D打印成型技術(shù).光聚合成型技術(shù)包含：SLA（Stereo lithography appearance）立體光固化技術(shù)、PloyJet多頭噴射技術(shù)、DLP（Digital light processing）數(shù)字光處理等技術(shù)，下面主要介紹的是SLA立體光固化技術(shù).

SLA技術(shù)由工作臺升降系統(tǒng)、光敏樹脂液位檢測與控制系統(tǒng)、光敏樹脂涂層系統(tǒng)、激光掃描系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)和計算機檢測系統(tǒng)等部分組成，如圖6所示.成型開始時，光敏樹脂液位檢測與控制系統(tǒng)將液面下降一個確定的高度，使得液面處于激光的聚焦平面上，激光掃描系統(tǒng)按照計算機的指令進行聚焦并控制振鏡式激光掃描控制系統(tǒng)按照設定路徑逐點掃描，即進行逐層點固化.當一層掃描完成后，未掃描到的部分光敏樹脂仍為液體狀態(tài)，光敏樹脂液位檢測與控制系統(tǒng)再下降一層高度，此時光敏樹脂涂層系統(tǒng)使已成型層面上布滿一層光敏樹脂，刮平器將粘度較大的樹脂液面刮平，然后再進行下一層的掃描，新固化的一層牢固地粘在前一層上，如此重復直到整個零件制造完畢，得到一個三維實體模型.

下面介紹上述控制子系統(tǒng)的研究概況：1）振鏡式激光掃描控制；2）激光掃描路徑控制；3）光敏樹脂液位檢測與控制；4）光敏樹脂涂層控制；5）成型精度誤差控制.

2.2.1振鏡式激光掃描控制

3D打印技術(shù)最初研發(fā)過程，研發(fā)人員便試圖將激光加工技術(shù)的理念引入，即激光固化光敏樹脂成型.激光掃描系統(tǒng)［42］由激光器、掃描器件、光路轉(zhuǎn)換器件、接收裝置及需要的反饋系統(tǒng)構(gòu)成.光束掃描在工作區(qū)域是由掃描器件接收控制信號完成，掃描器件分為許多種，例如：機械式繪圖掃描器、聲光偏轉(zhuǎn)器件、振鏡掃描器件等，而振鏡式掃描系統(tǒng)由于快速、高精度等性能特點，廣泛應用于3D打印技術(shù)中.本節(jié)將介紹振鏡式激光掃描控制系統(tǒng).

振鏡式激光掃描控制經(jīng)過多年的研究，發(fā)展相對成熟，特別是德國的ScanLab公司以及美國的GSI公司、Nutfield公司等出售振鏡掃描系統(tǒng)，價格十分昂貴，國內(nèi)的上海通用掃描公司、北京世紀桑尼科技有限公司是國產(chǎn)振鏡掃描系統(tǒng)的制造公司.目前，振鏡式激光掃描系統(tǒng)應用最多的領(lǐng)域是激光打標、激光快速成型以及激光的掃描與顯示，例如在3D打印中的立體光固化技術(shù)就是采用振鏡式激光掃描系統(tǒng)，使整個成型系統(tǒng)能夠高效、快速、高性能成型.振鏡掃描是光機掃描方式，即控制機械裝置的運動來掌握光束的偏轉(zhuǎn)，完成激光光束在掃描界面的移動.振鏡式激光掃描系統(tǒng)［43-44］主要有兩種：第一種是利用F-Theta透鏡聚焦方式，也稱二維振鏡式激光掃描系統(tǒng)（靜態(tài)聚焦系統(tǒng)）一種專業(yè)的透鏡系統(tǒng)，其工作原理如圖7所示，目的是將激光束在整個平面內(nèi)形成均勻大小的聚焦光斑；第二種是動態(tài)聚焦方式的三維振鏡式激光掃描系統(tǒng)（動態(tài)聚焦系統(tǒng)），具體應用根據(jù)實際掃描視場、工作面聚焦光斑的大小、性價比、工作距離等方面來決定使用哪種聚焦系統(tǒng).

圖6　光聚合成型控制系統(tǒng)Fig.6　SLA forming control system

圖7　F-Theta透鏡聚焦方式Fig.7　F-Theta lens focusing method

文獻［45-46］針對聚焦系統(tǒng)位置的不同，把二維振鏡式掃描又分成了兩種掃描類型，即物鏡前掃描方式和物鏡后掃描方式.物鏡前掃描指光束先經(jīng)過偏轉(zhuǎn)器偏轉(zhuǎn)，然后由F-Theta透鏡將光束聚焦；物鏡后掃描指光束先經(jīng)過F-Theta透鏡聚焦后，再通過偏轉(zhuǎn)器將光束進行偏轉(zhuǎn)掃描.動態(tài)聚焦方式相對于靜態(tài)聚焦方式采用的控制方式更加復雜，動態(tài)聚焦方式的振鏡式激光掃描系統(tǒng)［47］原理：激光器發(fā)射光束經(jīng)過擴束鏡，得到一系列平行光束，光束通過動態(tài)聚焦系統(tǒng)的聚焦以及物鏡組的光學放大后，依次投射到X軸和Y軸振鏡上，經(jīng)過兩個振鏡的二次反射到工作臺面上，形成掃描平面上的掃描點.如果立體光固化技術(shù)的成型尺寸大于1000cm3，并且要求成型精度非常高的情況下，這時候需要采用動態(tài)聚焦的掃描系統(tǒng)，文世峰深入研究了將動態(tài)聚焦振鏡激光掃描系統(tǒng)應用在立體光固化成型技術(shù)上的可行性，分析了基于PC的數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)對輸入圖像的復雜插補算法、數(shù)據(jù)的模型轉(zhuǎn)換、圖形校正算法以及通過中端控制方式實現(xiàn)對插補后的掃描點高速、準確地定位控制，并通過對焦距進行動態(tài)的調(diào)節(jié)，確保在工作時整個掃描工作區(qū)域的掃描點都處于焦點位置.振鏡式激光掃描控制系統(tǒng)在實際運用中會出現(xiàn)圖形掃描的線性失真和非線性失真現(xiàn)象［48-49］，隨著掃描圖形尺寸增大，模型成型質(zhì)量將會受到影響.基于上述問題，文獻［50］應用了一種針對3D打印技術(shù)中振鏡式激光掃描系統(tǒng)的二次曲線擬合校正算法，一方面消除激光在圖形掃描中出現(xiàn)的線性失真和非線性失真；另一方面可以校正激光掃描過程中產(chǎn)生的綜合誤差.當激光發(fā)射至工作平面上任一點（x，y）時，能夠得到激光在整個平面上的掃描軌跡函數(shù)為

表4　振鏡校正實驗數(shù)據(jù)Table 4　Vibrating mirror calibration experiment data

2.2.2激光掃描路徑控制

立體光固化技術(shù)的成型精度依賴激光掃描的控制方式，對于掃描路徑系統(tǒng)而言，系統(tǒng)的掃描精度、重復定位精度、穩(wěn)定性和激光的強度控制非常關(guān)鍵［51］.

激光掃描特點：掃描速度快、轉(zhuǎn)角范圍大、精度高、易于控制等，是立體光固化技術(shù)理想的掃描器.激光掃描的關(guān)鍵性能指標分別是漂移誤差、光束強度檢測、激光準確定位精度.針對這三個性能指標，美國3D Systems公司設計了一種立體光固化技術(shù)的漂移定期校正裝置和方法，該裝置采用光束傳感器和光電探測器確定漂移誤差，并通過漂移校正算法補償漂移誤差和指針機構(gòu)重復性掃描的精度問題［52］；還設計了一種立體光固化技術(shù)的光束強度和功率檢測裝置和方法，設備通過光束分析傳感器對光束移動進行檢測，計算機借助相關(guān)軟件控制光束掃描機構(gòu)的運動，使光束傳過設備分析傳感器小孔檢測出光束寬度和深度分布強度情況［53］.表示如下：

式中，k為功率校正因子.element為點在（m，n）陣列上光束測量部分，每個element（m，n）有一個強度讀數(shù) I（m，n）在單位功率或強度下，element（m，n）為

當光束以v（mm/s）勻速沿著y軸移動時，總行程為s，曝光和能量均勻的情況下：

式中，SS和SP為速度V的相應參數(shù)，

當曝光在（m，z=0）條件下時，

對于任意位置x（m），固化深度Zc（m）如下所示：

Spence ST和Almquist TA設計了一種用于立體光固化技術(shù)激光校準和規(guī)范化的裝置和方法［54］，該裝置帶有多個傳感器并固定在工作介質(zhì)指定表面，利用線性內(nèi)插技術(shù)指定特定工作表面，該定位方式使激光準確定位在指定的工作區(qū)域表面.隨著科技發(fā)展，更多的研究人員加入到提高激光掃描的性能指標研究中，文獻［55-56］提出了激光光斑位置漂移校正方法，目的是補償掃描系統(tǒng)零點漂移和增益漂移誤差，并且設計了一整套檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用反饋調(diào)節(jié)，使激光光斑位置漂移得到及時校正.文獻［57］提出了在加式制造中的激光性能控制的實現(xiàn)方法，工業(yè)制造過程中，對產(chǎn)品的品質(zhì)要求非常高，產(chǎn)品制造過程中有許多品質(zhì)管理模塊（如粉末質(zhì)量、溫度控制、激光路徑分析與控制、氣體過程控制等），文章根據(jù)內(nèi)聯(lián)過程控制提供先進性決策來提供實時可靠的激光路徑分析與控制.

文獻［58］消除加速度變化引起的過固化影響，在振鏡掃描系統(tǒng)加速、減速階段的掃描特性研究的基礎上，提出了勻速掃描固化概念.通過實驗實現(xiàn)了不同掃描速度下勻速掃描的時間范圍、空間區(qū)域以及向量端點外延距離的計算公式，隨后，用控制軟件實現(xiàn)了勻速掃描固化.文獻［59］設計了提高激光掃描路徑精度和效率的方法.文獻首先分析激光掃描路徑出現(xiàn)的4個問題：1）相關(guān)端點模糊（激光掃描時由于路徑跳轉(zhuǎn)存在空行程，在空行程路徑上由于激光光束關(guān)閉不及時造成的光束影響）；2）慣性效應（在使用旋轉(zhuǎn)鏡頭時慣性影響，最終使需要的尖角成為了弧線段）；3）閃爍效應（激光不能在屏幕上形成穩(wěn)定的圖形）；4）激光強度不規(guī)律變化（激光光束能量和速度調(diào)節(jié)不合理造成）.針對上述問題通過空行程的優(yōu)化、減少空行程路徑、拐角行走路徑優(yōu)化、增加激光開關(guān)所需的延時等手段，同時采用深度優(yōu)先搜索算法以及Hierholzer算法，經(jīng)過實驗，驗證了該方法提高激光掃描路徑的精度和效率.

2.2.3光敏樹脂液位檢測與控制

從立體光固化成型技術(shù)的原理可知光敏樹脂液位的穩(wěn)定性是保證其成型精度的重要指標.在模型打印過程，如果光敏樹脂液位變化沒有得到及時檢測與控制，將會造成模型的形狀誤差.研究表明［60］，若液位過低，固化層厚將小于設定液位層厚，引起模型的形狀誤差，發(fā)生模型過固化.如果固化層厚大于設定液位層厚，會導致固化不完全，層間粘黏力小，模型易被剝離.因此，液位的穩(wěn)定性對于加工順利起關(guān)鍵性作用，必須對液位的高度進行嚴格的檢測和控制.

光敏樹脂液位檢測與控制采用激光三角法［61］非接觸式激光距離檢測技術(shù)，激光三角法按照光線入射方式又可以分為直射式和斜射式.立體光固化成型技術(shù)利用直射式檢測樹脂液面高度，F(xiàn)arnsworth設計了一種直射式液面深度精確控制的方法和裝置，由計算機控制激光測距儀系統(tǒng)直射入液面，實現(xiàn)立體光固化液位閉環(huán)控制.直射式檢測方法容易受到外界光照干擾，而且本身發(fā)射的激光因為散射原因，只有部分光經(jīng)反射接收，測量精度不高，斜射式檢測方法能有效解決這一問題［62］. 1993年美國3D Systems公司提出立體光固化成型技術(shù)，采用斜射式檢測樹脂液面高度［63］，設計了一種用于檢測和控制光敏樹脂液位的方法和儀器，液位的檢測采用激光非接觸發(fā)射檢測法，目前立體光固化成型技術(shù)的液位檢測基本采取這種方法.該方法的裝置由半導體激光器、位置敏感探測器（Position sensitive detectors，PSD）、A/D轉(zhuǎn)換器、機械裝置和計算機控制系統(tǒng)等組成.液位的高度通過激光光斑的位置來獲得的，即激光以一固定角度入射，經(jīng)發(fā)射的光到投影屏上，通過控制反射光的高度達到控制液面的高度，通過PSD探測液位高度，調(diào)整好光路后，我們就根據(jù)液位控制目標的要求確定一合理的閾值.立體光固化成型技術(shù)，要求能檢測出液位0.05mm左右的變化，PSD的位置分辨率可達到6微米.

在立體光固化成型過程，液態(tài)光敏樹脂固化成型后，將會發(fā)生體積收縮，引起液位變化，當PSD檢測到液位波動超出閾值范圍內(nèi)時，需要對液位進行調(diào)節(jié)和控制.目前，立體光固化成型設備液位控制方法最主要方式有三種：溢流式、容積調(diào)節(jié)式和液槽升降式.1993年索尼公司申請了立體光固化樹脂溢流式液位控制系統(tǒng)［64］，該系統(tǒng)包括一個主液槽和補充罐，溢流式控制法通過主液槽和補充槽內(nèi)的液體相互流動，補充槽向主液槽內(nèi)添加光敏樹脂，使主液槽內(nèi)的樹脂達到動態(tài)平衡，這是一種簡單可靠的開環(huán)設計方式.但是，當光敏樹脂粘度和表面張力發(fā)生變化時，上述設計難以滿足液位穩(wěn)定控制要求. Almquist等設計了一種容積調(diào)節(jié)式液位控制方法和裝置［63］，裝置包括：一個主液槽和一個與其相連的浮筒，通過浮筒的上下運動改變主液槽內(nèi)的容積從而調(diào)節(jié)液位，達到控制目的.浮筒運動由液位檢測信號和設定值比較確定，該方式為閉環(huán)控制，缺點是響應速度慢，并且當浮筒體積不夠時無法有效補充樹脂.美國3D Systems公司的SLA 250型號即采用這種方式控制液位［60］.3D Systems公司于2005年設計了一種液槽升降式液位控制系統(tǒng)［60，65］，該系統(tǒng)是3D Systems公司目前使用的液位控制系統(tǒng)，通過驅(qū)動電機控制液槽的升降來調(diào)節(jié)液位高度，控制方式速度快，但總體成本達到幾十萬至上百萬人民幣，需要穩(wěn)定性很好的升降驅(qū)動系統(tǒng).

2.2.4光敏樹脂涂層技術(shù)控制

立體光固化技術(shù)實質(zhì)上是由激光層固化和涂層技術(shù)不斷重復，因此涂層技術(shù)（Recoating technology）也是立體光固化成型的重要步驟之一.涂層技術(shù)［66］是為了確保激光掃描前在已經(jīng)固化層上鋪灑一層均勻?qū)雍竦墓饷魳渲?，并且保持液面穩(wěn)定.立體光固化技術(shù)使用的光敏樹脂材料，是一種高分子聚合物，特點是粘度大、流動性差、固化后表面張力大.如果只依靠光敏樹脂液位恢復時的自由流動，鑒于表面張力和流動性差等原因，很難在先前固化層表面自動覆蓋一層光敏樹脂，特別是紋理比較復雜和大面積范圍涂層顯得更加明顯，材料無法覆蓋使得模型精度難以保證，甚至造成模型的損壞.因此，涂層技術(shù)的運用是立體光固化技術(shù)成型精度和效率要求的可靠保障.

20世紀90年代末，3D Systems公司提出了立體光固化技術(shù)，涂層技術(shù)隨之產(chǎn)生［67］.該公司設計了一種自由液面刮板涂層技術(shù)，每層固化后，計算機控制托盤多下降一段距離，光敏樹脂可在短時間內(nèi)完全淹沒固化表面，然后控制托盤提升到高于液面位置，利用刮板將多余光敏樹脂刮除，使剩余層厚更接近設定的期望層厚.然而，由于托盤下降的原因，這種控制方式容易產(chǎn)生氣泡，并且模型幾何形狀不同以及光敏樹脂的粘度高，刮板會產(chǎn)生嚴重的光敏樹脂拖拽現(xiàn)象，導致精度不高.隨后，3D Systems公司改進了這一方案［68］解決了刮板拖拽現(xiàn)象，設計了一種帶開口和三叉戟的刮板，控制刮板通過速度，使拖拽現(xiàn)象緩解.但是兩種設計將不可避免產(chǎn)生“回冒”［69］現(xiàn)象，即由于慣性的作用，使得多余被刮走的光敏樹脂在刮板上涌起波浪.1996 年3D Systems公司推出的SLA-350改變了樹脂涂層方法，采用真空吸附式涂層刮板結(jié)構(gòu)和涂層系統(tǒng)（ZephyrTMrecoating system）［70］.文獻［71］利用了一種真空吸附式涂層技術(shù)，裝置包括微型真空泵、含液式涂層板等部件，這種控制方式托板下降一層厚距離，計算機控制真空泵吸附的光敏樹脂量，均勻鋪灑在已固化模型表層，提高了樹脂涂層效率，在計算機行程控制下步進電機帶動含液涂層板的涂敷動作，通過皮帶輪沿不銹鋼導軌運動，可以實現(xiàn)不同速度、不同位移的涂層運動.為進一步實現(xiàn)涂層運動參數(shù)的優(yōu)化提供了可能，采用該方法涂層厚度最小可以達到0.025mm，并且可以有效地避免氣泡的產(chǎn)生.文獻［72］設計了新的掩膜圖像投影光固化過程，該技術(shù)提出了數(shù)字材料制造工藝，可在光固化技術(shù)中使用多材料成型，提出了一種新的雙通道設計，大大降低了固化層與樹脂的分離力，采用兩級樹脂清洗策略（粗糙清洗、精細清洗）和涂層技術(shù)結(jié)合的方法，避免多材料樹脂相互污染，該工藝可以用在兩種及以上材料混合成型.

國內(nèi)的西安交通大學研制出一種瀑布式光敏樹脂涂層裝置［73］，如圖8所示.該設計方法在模型打印過程中，由于光敏樹脂的體積固化收縮，每固化一層后，托盤下降一層，刮板涂層噴頭完成樹脂涂層，即通過控制噴頭流量及其移動來完成固化表面的樹脂補充.整個過程中，噴頭僅完成光敏樹脂補充作用，此時涂層厚度略大于固化所需厚度，再通過專門設計的刃口形狀刮板刮走多余樹脂，達到平穩(wěn)液面作用.同時，該涂層控制方法也指出其不足之處，即裝置工作時需要提高刮削速度，但這一措施使得刮板上堆積的樹脂來不及回流擴散.

圖8　瀑布式光敏樹脂涂層裝置Fig.8　Photosensitive resin recoating device of waterfall type

涂層技術(shù)的速度和參數(shù)控制是重要的部分.在速度控制上，如果涂層速度慢，雖然精度上能夠滿足模型打印的條件，在涂層時間等待過程中激光器一直維持打開的狀態(tài)，這樣會降低激光器使用壽命；如果速度過快，涂層過程將形成“后跟（Heel）”問題，如圖9所示.文獻［74］采用3D Systems公司SLA-250，光敏樹脂采用Cibatool SL 5170作為研究對象，發(fā)現(xiàn)立體光固化3D打印機的運行速度往往比廠家設定的速度更高，而不會引起模型精度損失.

圖9　樹脂鋪灑速度過快形成后跟現(xiàn)象Fig.9　Resin spread fast forming the heel phenomenon

2.2.5成型精度誤差控制

立體光固化技術(shù)是精度最高的3D打印技術(shù)之一，因此提高立體光固化技術(shù)精度引起了3D打印技術(shù)行業(yè)的高度關(guān)注，從業(yè)人員期待在立體光固化精度誤差控制上產(chǎn)生重大突破.立體光固化技術(shù)成型過程包括［75］：前期數(shù)據(jù)準備、成型加工和后處理過程，如圖10所示.

圖10　立體光固化技術(shù)成型流程圖Fig.10　Stereo lithography appearance molding chart

成型精度誤差主要有表面精度誤差、形狀精度誤差以及尺寸精度誤差.表面精度誤差主要在前期數(shù)據(jù)準備時，對實物的三維CAD模型進行STL格式化和分層切片逼近導致，也被稱為臺階效應.臺階效應［76］無法被消除，只能盡量減小層厚使誤差變小，然而這會相應增加數(shù)據(jù)處理時間.文獻［77］提出了一種基于產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)交互標準（Standard for the exchange of product model data，STEP）的在CAD系統(tǒng)外直接對CAD模型進行非均勻自適應分層的方法.根據(jù)模型的表面形狀，當模型表面傾斜大時，選擇0.1mm的層厚；反之，選擇0.2mm以上的層厚.這樣自動改變層厚提高成型精度.形狀精度誤差的產(chǎn)生主要由翹曲形變［78］及局部缺陷帶來.翹曲形變的發(fā)生在成型過程中，液態(tài)光敏樹脂在激光束照射下發(fā)生光交聯(lián)反應，導致固化聚合過程中體積收縮，產(chǎn)生內(nèi)應力導致模型產(chǎn)生形變（指當外部荷載去掉以后，仍殘存在物體內(nèi)部的應力.它是由于材料內(nèi)部宏觀或微觀的組織發(fā)生了不均勻的體積變化而產(chǎn)生的）.目前主要有兩種方法可以控制翹曲形變：1）改進材料配方的方法［79］，來控制光固化過程中產(chǎn)生的體積收縮，從而提高成型精度；2）Jacobs提出的“二次曝光法”原理［80］，具體操作是：首先，以臨界掃描速度Vc對固化層進行第一次掃描，首次掃描完成后會在液面上形成一個厚度略小于分層厚度的固化的薄層，這個薄層并不與下面已固化的模型粘接.這樣，經(jīng)過第一次掃描形成的薄層將會自由收縮，而不會與已固化的實體相互干擾，也就不會產(chǎn)生層間應力；然后，以透射速度Vp對固化層進行第二次掃描，用來將薄層與下面已固化的模型部分粘接起來.因為第二次固化的液態(tài)光敏樹脂厚度很薄，所以其固化時產(chǎn)生的層間應力小，因而比起傳統(tǒng)固化方法可以有效地降低翹曲形變的發(fā)生.二次曝光法主要是要確定臨界掃描速度Vc和透射速度Vp，這也是該方法的難點.由于第一次曝光時薄層未能與已固化模型粘接起來，所以層與層之間存在漂移錯位，使得模型側(cè)壁變得凹凸不平，嚴重影響了成型表面精度.西安交通大學提出“改進型二次曝光法”［81］，該方法在原有二次曝光法的基礎上，先確定掃描區(qū)域內(nèi)的連通域個數(shù)；再在每個連通域以透射掃描速度Vp掃描出初始的5條線，用來把薄層和已固化模型粘接起來；隨后的過程與二次曝光法相同.該方法保留了傳統(tǒng)二次曝光法翹曲變形小的優(yōu)點，同時也能彌補層間漂移等缺點.文獻［81］利用了Tem01光強分布，并用高斯函數(shù)來描述Tem01光束的光斑半徑和能量分布函數(shù)I：

式中，r是徑向變量，ωOS表示截面的基模光斑半徑，PL為激光功率.固化深度公式Cd：

式中，E0為入射能量密度；Ec為臨界曝光密度；Dp為透射深度.當衰減為入射能量密度的時的固化深度：

式中，Vs為光斑掃描速度.模型成型后還有一個后處理過程［82］，特別是去除支撐結(jié)構(gòu)以及提高表面光潔度的處理措施，需要嚴格執(zhí)行相應操作流程，否則會造成形狀和尺寸精度的誤差.

2.3激光粉末成型技術(shù)控制系統(tǒng)

激光粉末成型技術(shù)包含：SLS（Selective laser sintering）選擇性激光燒結(jié)技術(shù)、DMLS（Direct metal laser sintering）直接金屬激光燒結(jié)技術(shù)、SLM（Selective laser melting）選擇性激光熔化成型技術(shù)以及EBM（Elctron beam melting）電子束熔煉技術(shù)等.激光粉末成型技術(shù)通常的改進方式為：提高能量來源或者減小粉末顆粒大小.激光粉末成型技術(shù)由激光掃描系統(tǒng)、振鏡式掃描控制、成型缸升降系統(tǒng)、鋪粉控制系統(tǒng)、預熱控制系統(tǒng)以及驅(qū)動裝置等［83］組成，如圖11所示.專利［84-85］介紹了激光粉末成型的控制過程：成型開始時，鋪粉控制系統(tǒng)將粉末均勻鋪灑在成型缸升降系統(tǒng)上，并用鋪粉輥將粉末均勻壓實.隨后，預熱控制系統(tǒng)將壓實的粉末均勻預熱達到打印溫度，計算機根據(jù)原型的切片模型控制激光掃描系統(tǒng)和振鏡式掃描系統(tǒng)進行二維軌跡掃描，有選擇地燒結(jié)固體粉末材料以形成零件的一個層面.粉末完成一層后，成型缸升降系統(tǒng)下降一個層厚，由鋪粉控制系統(tǒng)重新鋪上新粉，再對新粉用鋪粉輥壓實以及預熱后，激光束再掃描燒結(jié)新層.如此循環(huán)往復，層層疊加，直到三維零件成型.最后，將未燒結(jié)的粉末回收到粉末缸中，并取出成型件.

這里將介紹激光粉末材料燒結(jié)/熔化成型控制子系統(tǒng)包括：1）鋪粉控制；2）粉末預熱控制；3）成型精度影響及控制.

圖11　激光粉末成型技術(shù)控制系統(tǒng)Fig.11　Selective laser sintering forming control system

2.3.1鋪粉控制

鋪粉控制系統(tǒng)是整個技術(shù)的核心組成部分之一.鋪粉的厚度、表面平整度、鋪粉致密度和精確度都對加工結(jié)果有著影響，也是影響最終成型精度的主要因素.因此，鋪粉控制系統(tǒng)的整體自動化性能和各部分的協(xié)同工作要求非常高.常用的鋪粉控制系統(tǒng)：刮板式、反轉(zhuǎn)輥軸式、反轉(zhuǎn)輥軸和刮板結(jié)合、正向輥軸式、正向輥軸和刮板結(jié)合、移動漏斗、振動式鋪粉系統(tǒng).文獻［72，86］根據(jù)粉體的堆積密度和粉體的表面質(zhì)量參數(shù)，對不同鋪粉控制系統(tǒng)進行實驗，使用22mm直徑反轉(zhuǎn)輥軸式系統(tǒng)可以得到最高的密度（1.2gr/cm3），同時表面質(zhì)量最優(yōu)；正向輥軸和刮板結(jié)合可以得到高密度（1.0gr/cm3），但是這對組合需要完善的設置，防止粉末表面失真.其中刮板式鋪粉系統(tǒng)雖然結(jié)構(gòu)簡單，易于控制，但是粉末的致密度低（0.7gr/cm3）；輥軸式鋪粉系統(tǒng)可以提高粉末的致密度（0.9gr/cm3）；移動式漏斗采用直接鋪灑粉末，沒有壓實作用，因此粉末的致密度低（0.7gr/cm3）.

美國3D Systems公司設計了一種選擇性激光燒結(jié)粉末輔助處理系統(tǒng)［87［89］，這種裝置采用全密閉空間的成型室，成型室內(nèi)有三個（左中右排列）活塞系統(tǒng)（三缸鋪粉系統(tǒng)），如圖12所示.活塞系統(tǒng)裝載著粉末，中間的活塞系統(tǒng)是激光能夠照射到的成型室，也稱為工作活塞，左右兩個活塞系統(tǒng)分別是供粉活塞.具體工作方式為：當中間工作活塞的最上層被激光燒結(jié)之后，左邊的活塞向上推出一定量粉末，由自身反轉(zhuǎn)的輥軸進行水平移動鋪粉，而右端的活塞向下移動留下一定空間，使得輥軸在鋪粉完成后可以將多余的粉末推到右邊活塞系統(tǒng)中完成粉末的回收，這個系統(tǒng)減少了成型室內(nèi)的粉末量，加快了粉末的輸送.在合理的設計下左右兩邊活塞可以提供多種材料.一般情況下，人們將粉末分為三種類型：新鮮粉末（在活塞系統(tǒng)內(nèi)未使用過的粉末）、溢出粉末（燒結(jié)過程中未被燒結(jié)到的粉末）、不合格粉末（燒結(jié)過程中距離激光燒結(jié)區(qū)域太近粉末）.上述系統(tǒng)無法將不合格粉末去除，同時由于一些細小的粉末懸浮在內(nèi)部造成污染和損害，這部分懸浮粉末也無法被回收.根據(jù)上述問題，3D Systems公司改進了DTM公司的設計［90［92］，這個設計使得懸浮在空中的粉末得到回收.文獻［92］設計的裝置采用恒定的氣體加壓裝置用來傳輸粉末，通過對成型室內(nèi)不間斷充氣（空氣或者惰性氣體），再將這些與懸浮粉末混合的氣體引入到裝置中過濾，能很好地將這部分粉末回收，避免了環(huán)境污染也保證了設備操控者的身體安全.

國內(nèi)對鋪粉控制系統(tǒng)研究時間不長.清華大學設計了一種可控震動落粉鋪粉系統(tǒng)［93］，總結(jié)了常用的鋪粉系統(tǒng)優(yōu)缺點后，設計一種不與成型件接觸的上置式鋪粉篩和具有稱重傳感器反饋的鋪粉系統(tǒng)，通過改變鋪粉篩的運行速度和加速度實現(xiàn)粉末鋪送功能，改變鋪粉篩運行速度和加速度獲取精確的鋪粉厚度，最小粉末層厚度達0.1mm.

圖12　三缸鋪粉循環(huán)系統(tǒng)Fig.12　Three cylinders assist powder recycle system

2.3.2粉末預熱控制

激光粉末成型技術(shù)，需要在加工過程中對粉末進行預熱.預熱是成型過程中極其重要的階段，其精準度是模型成型時間、精度以及強度的重要保證.

預熱過程［94］一般涉及三種能量傳輸方式：熱傳導、熱對流和熱輻射.熱傳導是物質(zhì)之間的能量轉(zhuǎn)換，熱對流是流體溫差造成的能量轉(zhuǎn)換，熱輻射是電磁輻射的一種，由熱源發(fā)出熱能，被物體吸收后轉(zhuǎn)換成熱能.熱輻射屬于一種非接觸式傳熱，而且傳熱速度很快，所以預熱控制系統(tǒng)一般采用熱輻射方式.粉末預熱有兩個能量來源，一部分是激光燒結(jié)粉末后能量散失到環(huán)境中；另一部分是由熱輻射元件的能量預熱粉末.因此，設計一個好的預熱控制系統(tǒng)是能否對粉末均勻預熱的基礎.早在1992年DTM公司申請了粉末預熱控制系統(tǒng)［95］，該系統(tǒng)是一種用于選擇性激光燒結(jié)的熱輻射預熱裝置，該裝置可以為粉末表面提供均勻的溫度，選用熱輻射板、熱輻射圓環(huán)等裝置作為輻射源，放置在成型區(qū)域上方進行輻射加熱，有專門的溫度測量元件對粉末表面溫度進行實時監(jiān)控.專利中的數(shù)據(jù)說明，使用熱輻射圓環(huán)的設計，能夠更好地傳遞熱量，高效地為粉末表面提供均勻預熱溫度.隨后，德國EOS公司也為其產(chǎn)品的預熱控制系統(tǒng)申請了專利.文獻［96］設計的預熱控制系統(tǒng)同樣采用熱輻射進行預熱，但該裝置采用熱惰性材料石墨薄片作為熱輻射元件，數(shù)據(jù)說明相比于其他材料，石墨薄片的溫度傳導系數(shù)更好，可以預熱有一定厚度的粉末層，并且能夠保證溫度的均勻性.文獻［97］分析了電子束增材制造過程控制，并嘗試使用NIR（Near-infrared）兩種鏡頭的熱感相機進行預熱過程溫度測量控制，該熱感相機可測量的溫度范圍在600～3000?C，可有效地測量過程控制中各階段（預熱、輪廓線成型）的不同溫度區(qū)間（低、中）.圖13和圖14說明了預熱階段溫度區(qū)間.

圖13　NIR圖像在預熱階段低溫區(qū)間Fig.13　Low temperature range of NIR images at pre-heating phases

圖14　NIR圖像在預熱階段中溫區(qū)間Fig.14　Medium temperature range of NIR images at pre-heating phases

激光選區(qū)燒結(jié)成型過程中，相鄰層之間如果沒有預熱控制系統(tǒng)將會發(fā)生上層的溫度高、下層的溫度迅速降低的情況［98］，這樣極易產(chǎn)生內(nèi)應力和翹曲形變.研究人員通過正交實驗和方差分析的手段［99］，發(fā)現(xiàn)使用加熱設備將溫度控制為：層間高、兩端低的情況將不會有顯著的形變樣品產(chǎn)生，這樣的溫度控制能夠獲取更好的精度.同時，預熱控制系統(tǒng)對溫度穩(wěn)定性的要求嚴格，要求粉床溫度的不均勻度必須控制在一定范圍內(nèi)，所以如何控制好粉床的溫度也是十分重要.通常情況下，對預熱溫度的控制采用的是模糊控制［100］，且效果良好.然而，當中間燒結(jié)層的切片形狀發(fā)生超過30%面積變化時，采用模糊控制的預熱系統(tǒng)會發(fā)生快速溫度變化.因此文獻［101］設計了一種預熱溫度調(diào)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)根據(jù)切片形狀不同，將切片分為漸變型（相鄰層變化平緩）和突變型（相鄰層變化大）.當獲取切片信息后進行溫度控制時，如果是漸變型截面，此時預熱采用常規(guī)的模糊算法；如果是突變型截面，此時采用參考模型自適應（Model reference adaptive control，MRAC）方法進行控制，實驗證明該系統(tǒng)提高了模型成型的自動化和智能化，在節(jié)省生產(chǎn)成本的情況下，提高了模型的各項性能.在第k步，第i條的控制規(guī)則為

式中，Ei、IEi分別是 e、Re dt的模糊集，μEi（e），μIEi?Re dt￠為e，Re dt的隸屬度函數(shù)值，系數(shù)K1、K2可以求出.

文獻［102］通過對四周區(qū)域加入熱源，使用有限元模擬，證明在四周區(qū)域增加溫度補償能夠改善預熱溫度場的分布，從而顯著提高了燒結(jié)制件的質(zhì)量. 2.3.3成型精度影響及控制

金屬粉末具有密度大、熔點高、導熱系數(shù)好等特點，這些特點使得對激光束的功率要求更高，加熱速度更快，由于激光束加熱的局部性，將會引起溫度場分布不均衡、溫度梯度大.在模型成型過程中，由于溫度場不均衡引起的固化收縮問題，極易導致模型出現(xiàn)球化、翹曲和開裂等現(xiàn)象［103］.為了減少上述因為溫度場不均衡導致的模型損壞現(xiàn)象，對溫度場控制進行研究是非常必要的.因為金屬粉末燒結(jié)溫度場是一個動態(tài)分布的過程，所以采用有限元模擬可以更好地分析成型過程中影響精度的因素，從而對工藝參數(shù)進行合理選擇.Bugeda等［104］通過對選擇性激光燒結(jié)過程中的單一激光源燒結(jié)軌跡進行有限元三維模擬，分析了實驗材料的燒結(jié)過程，得到的溫度和密度分布圖，獲取了燒結(jié)深度的信息.Dai等［105］提出了一種有限元分析方法用于調(diào)查激光掃描方式對殘留應力和變形的影響.研究表明，若有一層出現(xiàn)形變，改變激光束的掃描方式可以將形變影響最小化；該研究同時還發(fā)現(xiàn)，如果掃描路徑沿著某一軸線方向進行長距離掃描，將可能出現(xiàn)鞍形失真.

上面的研究基本采用三維有限元瞬態(tài)溫度場分析，但卻沒有考慮到隨著溫度的變化對一些重要物理參數(shù)的影響；不同材料的熱系數(shù)等物理性質(zhì)的變換；以及溫度、激光能量密度和成型件密度的耦合作用等［106］.Wang［107］討論了選擇性激光燒結(jié)過程中兩個重要參數(shù)（固化收縮和光束偏移）對模型尺寸的影響.Williams等［108］采用分析和實驗的方法研究選擇性激光燒結(jié)過程中激光的能量密度、激光束光斑直徑以及激光束延遲對成型件平均密度和強度的影響.該研究結(jié)果表明：隨著能量密度和光斑直徑的增加，成型件的密度和強度也隨之增長，但是一些限制性因素的存在仍然會影響模型的最大密度和強度.這種方法雖然能確定燒結(jié)過程中模型性能的變化，但是對模型性能的提高有限.選擇性激光燒結(jié)有一種大幅提高制件密度和強度的方法：后固化法（將成型制件放入一定溫度的設備中使未完全成型部分進行再次固化）.文獻［109］使用最小二乘法來調(diào)查后固化過程中成型件的收縮變化，研究人員發(fā)現(xiàn)后固化方法能顯著減小尺寸的收縮，并且發(fā)現(xiàn)固化程度與激光功率、層間距、掃描間距和掃描速度存在函數(shù)關(guān)系.文獻［110］研究揭示了重要過程參數(shù)（激光功率、掃描速度、層間距、粉床溫度等）與成型制件精度的關(guān)系，使用田口設計方法為長方體模型進行測試，通過最大化信噪比和方差分析進行尺寸補償，成功提高了模型的有效性和精度.這些實驗和結(jié)果都證明了激光粉末成型技術(shù)的成型精度還有10%以上的提升空間，需要更多的科研人員來研究這部分領(lǐng)域，特別是控制方法的研究.

3　3D打印技術(shù)的展望

綜上所述，3D打印技術(shù)呈現(xiàn)了百花齊放，百家爭鳴的發(fā)展狀況，無論是從成型原理、材料等關(guān)鍵方向都有大量科研工作人員進行研發(fā)，并且各有特色和優(yōu)勢.雖然3D打印技術(shù)取得了廣泛的關(guān)注和迅猛的發(fā)展，在成型精度和速度有所突破，但依然存在著許多亟待解決的問題.下面將對其中的一些問題進行總結(jié)，同時對未來3D打印技術(shù)的發(fā)展趨勢提出初步的設想.

3.1控制系統(tǒng)

3.1.1過程控制

過程控制系統(tǒng)通常采用反饋控制和算法改進的形式，通過對過程參量的控制，可使生產(chǎn)過程中產(chǎn)品的產(chǎn)量增加、質(zhì)量提高和能耗減少，例如文獻［111］提出了熔融沉積成型技術(shù)穩(wěn)固低耗支撐結(jié)構(gòu)生成的算法，該算法充分分析熔絲沉積制造中掃描熔絲構(gòu)造特點，對支撐區(qū)域進行分類，根據(jù)每類支撐的特點設計相應的支撐結(jié)構(gòu)成型算法，并建立最優(yōu)化計算模型，計算符合各類約束的最小支撐結(jié)構(gòu)，在保證了打印成型質(zhì)量同時節(jié)省了打印耗材，并針對現(xiàn)有Makerware算法用實驗數(shù)據(jù)說明，所得支撐結(jié)構(gòu)更為稀疏，并且采用了錐形結(jié)構(gòu)，節(jié)省材料效果明顯，算法穩(wěn)定性更好.3D打印核心技術(shù)不同，其表征過程的主要參數(shù)也各不相同.熔融沉積成型技術(shù)過程參數(shù)有溫度、壓力、送絲速度等，光聚合成型技術(shù)過程控制參數(shù)有激光強度、固化深度、涂層厚度、液面高度等，激光粉末成型技術(shù)過程參數(shù)有激光強度、鋪粉厚度、致密度、預熱溫度等.3D打印技術(shù)目前僅僅做到了將過程控制的參數(shù)測量表示出來，并使用一些簡單的獨立閉環(huán)控制，但是在很多情況下，3D打印控制系統(tǒng)中被控量與控制量之間呈現(xiàn)出交互影響的關(guān)系，每個控制量的變化會同時引起幾個被控量變化.這種變量間的交互影響稱為耦合.耦合的存在會使過程控制系統(tǒng)變得復雜化，例如熔融沉積成型技術(shù)過程參數(shù)有溫度、壓力、送絲速度，這些參數(shù)都是相互關(guān)聯(lián)，相互影響.3D打印可以采用解耦控制中的多變量頻域方法有效解決這一問題.

3.1.2整體控制

目前，國內(nèi)外3D打印控制系統(tǒng)的智能識別和反饋功能基本處于空白狀態(tài)，控制系統(tǒng)中的各子系統(tǒng)雖然能夠較好地做到閉環(huán)控制，但是大部分打印機的整體控制系統(tǒng)仍然處于盲打階段，是一個開環(huán)的狀態(tài)，即每一種模型的成型需要依靠人工總結(jié)數(shù)據(jù)并進行大量實驗.當成型過程中出現(xiàn)打印異常問題時，控制系統(tǒng)無法識別，更不能調(diào)整解決問題.當成型過程出現(xiàn)一個細小的打印錯誤，后續(xù)成型誤差將會越來越大，這就要求成型時，必須有經(jīng)驗豐富的專業(yè)人員隨時觀察成型狀態(tài).現(xiàn)如今，大部分3D打印機還沒有打印記憶功能，如果打印時突然斷電將無法進行續(xù)打，這樣會造成大量時間、材料上的浪費.因此，智能識別和反饋功能是目前3D打印控制系統(tǒng)需要解決的問題，讓系統(tǒng)自動識別并判斷成型過程中出現(xiàn)的問題，并及時作出調(diào)整，同時通過智能識別系統(tǒng)提供的大量數(shù)據(jù)讓3D打印機能夠具備自學、自我逐步完善功能.

3.1.3實驗設計

3D打印存在著復雜的材料狀態(tài)變化過程，材料需要經(jīng)歷“固態(tài)、液態(tài)、固態(tài)”的狀態(tài)變化過程，并且打印的精度要求非常高，此時引入了一些新的技術(shù)和新的控制器、控制系統(tǒng).在這種情況下，難以通過狀態(tài)、能量等化學以及基本的物理定律來建立精確的結(jié)構(gòu)模型，即使建立了模型，也會由于模型階次太高，不適合用于控制系統(tǒng)的分析與設計.同時，3D打印控制系統(tǒng)中還存在大量的不穩(wěn)定因素，例如：環(huán)境溫度變化、支撐的穩(wěn)定性、電機運動的準確性、翹曲形變、應力作用等.針對難于建模、耦合性強、不確定因素多的復雜系統(tǒng)，可以利用大量的數(shù)據(jù)系統(tǒng)進行分析與控制，同時采用基于田口設計方法或者ANASYS有限元方法設計出相關(guān)實驗.這些是未來3D打印控制系統(tǒng)的實驗設計的發(fā)展方向，在科研性和應用性上有不錯的指導意義.

3.1.4仿真研究

國內(nèi)外對3D打印控制的仿真研究過程還僅僅處于在打印過程中相鄰層、局部性的功能模擬與驗證階段.這些工作主要針對打印過程中模型的局部瞬間溫度場模擬，實驗所用的一些模型采用常規(guī)形態(tài)（如矩形、正方形、三角形等），很少考慮到在實際打印經(jīng)常出現(xiàn)的具有復雜多變、獨特形態(tài)特征的模型，這些模型在3D打印的實際作業(yè)過程中經(jīng)常出現(xiàn)變形等問題.同時，仿真研究也不能將相變潛熱、對流、輻射、熱傳導等因素的綜合作用所累積產(chǎn)生的層間應力變化反應出來，只能考慮到單一因素引起的變化；在打印過程中材料因為受熱后物理參數(shù)發(fā)生改變，仿真過程中卻對材料設置了相同的物理參數(shù)，實際上其中的熱力學等許多物理參數(shù)差別巨大，這樣的仿真模擬過程存在著明顯嚴重缺陷.因此，打印過程中的可視化仿真是現(xiàn)階段需要攻克的難題.

3.1.5計算能力

3D打印機在工作過程中經(jīng)常發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)換，各個被控制部件之間有著強耦合性，且3D打印控制除了要求具備高度的準確性和快速性之外，還需具備實時性，這就對控制器的計算能力提出了更高要求.一些低端產(chǎn)品由于成本等原因采用的是單片機作為控制器，但計算能力稍顯不足；因此為了滿足3D打印機在性能上的需求，必須采用計算能力更高的控制器.同時，3D打印也存在非線性強、控制模型階次高的問題；因此，如何開發(fā)先進算法來解決這些問題也是未來3D打印控制系統(tǒng)所要做的.

3.2產(chǎn)業(yè)化進程

3.2.1打印材料行業(yè)標準的建立

這些年來，3D打印技術(shù)飛速發(fā)展，成功運用到各行各業(yè)中，但不同行業(yè)對材料的要求不盡相同，3D打印材料現(xiàn)狀并不令人滿意，成為了影響3D打印行業(yè)發(fā)展的重要制約因素.目前，我國3D打印原料缺乏相關(guān)的行業(yè)標準，國內(nèi)生產(chǎn)3D打印材料的企業(yè)大多集中在生產(chǎn)PLA、ABS材料以及液態(tài)光敏樹脂，并且這些企業(yè)生產(chǎn)的材料質(zhì)量參差不齊，嚴重影響模型成型質(zhì)量；而金屬粉末材料基本依賴從國外高價進口，使得國內(nèi)金屬3D打印成本一直居高不下，影響了金屬3D打印的產(chǎn)業(yè)化進程.因此，3D打印行業(yè)迫切需要建立一整套針對材料的相關(guān)行業(yè)標準，加快國內(nèi)3D打印材料研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的進程，爭取做到3D打印材料自給自足，努力做到材料出口到國外，促進我國3D打印產(chǎn)業(yè)的跨越式發(fā)展.

3.2.2社會制造

當前，我國制造業(yè)競爭優(yōu)勢水平低下，創(chuàng)新能力不強，科技與經(jīng)濟發(fā)展脫節(jié)，為了提高產(chǎn)業(yè)服務水平，加速發(fā)展社會制造產(chǎn)業(yè)，必須充分利用好網(wǎng)絡平臺，大力開展遠程3D打印服務.3D打印帶來的不僅是制造技術(shù)的進步，更是社會生產(chǎn)組織方式和管理模式的深刻變革.3D打印使生產(chǎn)制造從大型、復雜、昂貴的傳統(tǒng)工業(yè)過程中分離出來，凡是能接上電源的任何計算機都能夠成為靈巧的生產(chǎn)工廠.然而由于成本、材料限制問題以及操作者的專業(yè)知識限制，目前個人使用的3D打印機一般為價格較低的FDM 3D打印機，出于盲目消費、好奇等原因，個人消費者在購買3D打印機后使用不久后便會出現(xiàn)打印機永久閑置的問題，這樣給3D打印的普及和推廣帶來了負面效應.一些大型企業(yè)花重金購買了國外先進的3D打印機后，卻得不到充分的利用，而社會制造的出現(xiàn)能夠很好地解決上述問題.正如王飛躍［112］所說，社會制造就是利用3D打印、網(wǎng)絡技術(shù)和社會媒體，通過眾包等方式讓社會民眾充分參與產(chǎn)品的全生命制造過程，實現(xiàn)個性化、實時化、經(jīng)濟化的生產(chǎn)和消費模式，是計算機和互聯(lián)網(wǎng)引發(fā)的信息革命之后的又一場產(chǎn)業(yè)革命，需要引起人們的重視，社會制造的關(guān)鍵問題就是如何主動、及時地將社會需求與社會制造能力有機地銜接起來，從而有效地完成從需求到供應之間的相互轉(zhuǎn)化過程.因此，個人消費者使用搜索的方式來找尋滿足自己設計需要的企業(yè)所有的3D打印機，而企業(yè)則采用眾包的方式有效地完成產(chǎn)品的提出、設計、評價和營銷等任務.從而達到互利互惠的效果，推動3D打印的蓬勃發(fā)展，同時推動整個社會制造能力的提升.

3.2.3行業(yè)發(fā)展方向

國際3D打印行業(yè)處于快速兼并與整合過程，國內(nèi)3D打印聯(lián)盟的成立共同促進行業(yè)加速發(fā)展. 3D打印行業(yè)最大的兩家龍頭企業(yè)分別為美國的3D Systems公司和Stratasys公司.這兩家公司的產(chǎn)品占據(jù)全球大部分的市場份額.兩家公司在本身異常強大的情況下，仍然在執(zhí)行大規(guī)模的收購與合并政策，試圖完善產(chǎn)品線、鞏固領(lǐng)先優(yōu)勢.例如，Stratasys公司2012年4月用14億美元并購了以色列的Object公司，2013年6月用4.03億美元收購了美國的MakerBot公司，分別獲得了這兩家公司的PloyJet Matrix技術(shù)和桌面級產(chǎn)品技術(shù)，同時以1億美元收購了全球最大的3D設計分享網(wǎng)站GrabCAD，這樣將使得Stratasys公司擁有全球領(lǐng)先的管理、共享和查看CAD協(xié)作平臺，也是加強對CAD建模市場控制的方式.3D Systems公司先后收購了包括Z Corp、Huntsman、Vidar Systems和CAD軟件Alibre等40多家公司，一舉奠定了該企業(yè)在3D打印行業(yè)中的地位.

在我國，3D打印技術(shù)的掌握和市場化應用還處于初級階段，公司還處于小而分散的狀態(tài)，近些年來也成立了由中國科學院自動化研究所牽頭的“3D科技創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟”、由亞洲制造業(yè)協(xié)會聯(lián)合華中科技大學、北京航空航天大學、清華大學等權(quán)威科研機構(gòu)共同發(fā)起的“中國3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟”以及“山東3D科技創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟”等組織機構(gòu)來團結(jié)、規(guī)范、引導我國3D技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展.盡管如此，我國的3D打印企業(yè)都還處于分散的狀態(tài)，迫切需要一個或者多個有發(fā)展3D打印技術(shù)意愿的公司加大投資，采取整合以及研發(fā)創(chuàng)新的方式來壯大自身，在材料、軟件特別是細分領(lǐng)域的應用方面集中力量重點突破，這樣才能打破國外3D打印企業(yè)的壟斷地位.

3.2.4企業(yè)發(fā)展

企業(yè)應該加強與研究所、高校的聯(lián)合，形成一整套產(chǎn)、學、研、教的組織機構(gòu).目前我國正處于3D打印發(fā)展初級階段，從20世紀90年代開始西安交通大學盧秉恒（中國工程院院士）團隊，主要研究光固化成型技術(shù)；華中科技大學史玉升團隊，主要從事激光燒結(jié)成型技術(shù)，2010年該團隊研制出“基于粉末床的立體打印技術(shù)”，并獲得國家科技發(fā)明二等獎；清華大學顏永年團隊，其科研成果通過北京殷華快速成型模具技術(shù)有限公司轉(zhuǎn)化以及北京航空航天大學王華明團隊在激光快速成型飛機鈦合金結(jié)構(gòu)件關(guān)鍵工藝及技術(shù)上取得了突出性貢獻.同時一些企業(yè)：北京殷華、陜西恒通智能機器、湖北濱湖機電、湖南華曙高科技有限責任公司等陸續(xù)進入該行業(yè)中.我國的3D打印基礎還很薄弱，企業(yè)必須做出長遠的規(guī)劃，而不是只做低端產(chǎn)品，長遠的規(guī)劃必須包括依托于高校及研究所.高校主攻基礎研究，培養(yǎng)一批有3D打印技能的學生；研究所主攻應用型研究；企業(yè)將研發(fā)成果轉(zhuǎn)換為產(chǎn)業(yè)成果.與此同時，積極引進海內(nèi)外3D打印技術(shù)人才，邀請國內(nèi)知名教授學者進行3D打印技術(shù)講座，培養(yǎng)不同層次的3D打印人員，實現(xiàn)產(chǎn)、學、研、教一體化發(fā)展.

致謝

本文內(nèi)容是在中國科學院自動化研究所復雜系統(tǒng)管理與控制國家重點實驗室、中國科學院云計算產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新與育成中心自動化所東莞研究院、青島智能產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院的支持下完成.作者感謝沈震副研究員、朱鳳華高級工程師、熊剛研究員等的有益討論.

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李 軒長沙理工大學電氣與信息工程學院碩士研究生.主要研究方向為3D打印與社會制造.本文通信作者.

E-mail:lixuan0125@126.com

（LI XuanMaster student at the College of Information and Electrical Engineering，Changsha University of Science and Technology.His research interest covers 3D printing and social manufacturing.Corresponding author of this paper.）

莫紅長沙理工大學電氣與信息工程學院副教授.2004年獲中國科學院研究生院工學博士學位.主要研究方向為語言動力系統(tǒng)與智能計算.

E-mail:mohong72@gmail.com

（MO HongAssociate professor at the College of Electric and Information Engineering，Changsha University of Science and Technology.She received her Ph.D.degree from University of Chinese Academy of Sciences in 2004. Her research interest covers linguistic dynamic systems and intelligent computing.）

李雙雙中國科學院自動化所復雜系統(tǒng)管理與控制國家重點實驗室助理研究員，2007年獲杭州電子科技大學自動化專業(yè)學士學位，2010年獲浙江大學控制理論與控制工程專業(yè)碩士學位，2013年獲中國科學院大學計算機應用技術(shù)專業(yè)博士學位.主要研究方向為3D打印與社會制造.

E-mail:shuangshuang.li@ia.ac.cn

（LI Shuang-ShuangAssistant professor at the State Key Laboratory of Management and Control for Complex Systems，Institute of Automation，Chinese Academy of Sciences.He received his bachelor degree in automation from Hangzhou Dianzi University，master degree in control theory and control engineering from Zhejiang University，and Ph.D.degree in technology of computer applications from University of Chinese Academy of Sciences in 2007，2010 and 2013，respectively.His research interest covers 3D printing and social manufacturing.）

王飛躍中國科學院自動化研究所復雜系統(tǒng)管理與控制國家重點實驗室研究員.國防科技大學軍事計算實驗與平行系統(tǒng)技術(shù)中心教授.中國科學院大學中國經(jīng)濟與社會安全研究中心教授.主要研究方向為智能系統(tǒng)和復雜系統(tǒng)的建模，分析與控制.

E-mail:feiyue.wang@ia.ac.cn

（WANG Fei-YueProfessor at the State Key Laboratory of Management and Control for Complex Systems，Institute of Automation，Chinese Academy of Sciences.He is also a Professor at the Research Center of Computational Experiments and Parallel Systems，National University of Defense Technology，as well as at China Economic and Social Security Research Center，University of Chinese Academy of Sciences.His research interest covers modeling，analysis，control of intelligent，and complex systems.）

Research Progress on 3D Printing Technology Process Control Problem

LI Xuan1MO Hong1，2LI Shuang-Shuang2WANG Fei-Yue2

3D printing is a new add manufacturing technology，and many people think it is a“destructive”technology that will change the world，claim it will trigger a new round of industrial revolution.According to 3D printing technology involved in different core forming technologies，materials and equipment volumes，this paper introduces the different classifications of 3D printing technology，overviews the mainstream 3D printing technology control system，discusses the problems existing in the control system of 3D printing，and provides suggestions and advices for the process of industrialization.

3D printing technique，add manufacturing technology，control system，the process of industrialization

10.16383/j.aas.2016.c150619

Li Xuan，Mo Hong，Li Shuang-Shuang，Wang Fei-Yue.Research progress on 3D printing technology process control problem.Acta Automatica Sinica，2016，42（7）:983-1003

2015-10-15錄用日期2016-03-02
Manuscript received October 15，2015；accepted March 2，2016國家自然科學基金（61074093，61233008，61473048）資助
Supported by National Natural Science Foundation of China （61074093，61233008，61473048）
本文責任編委魏慶來
Recommended by Associate Editor WEI Qing-Lai
1.長沙理工大學電氣與信息工程學院長沙 4101142.中國科學院自動化研究所復雜系統(tǒng)管理與控制國家重點實驗室北京100190
1.School of Electric and Information Engineering，Changsha University of Science and Technology，Changsha 4101142. The State Key Laboratory of Management and Control for Complex Systems，Institute of Automation，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190