王曉亮

摘 要：近年來，3D打印技術(shù)受到了各國各界的廣泛關(guān)注。3D打印具有成型速度快、無污染及方便在室內(nèi)使用等優(yōu)點，在現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展中發(fā)揮了巨大的作用。文章通過將3D打印機的加熱系統(tǒng)采用PID控制的方法，可以有效的控制溫度的大幅度變化，從而很大程度提高了打印出的工件質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：3D打??；加熱；PID控制

1 3D打印技術(shù)的概述

3D打印技術(shù)的研究始于20世紀(jì)80年代，當(dāng)時被稱作快速成型技術(shù)。世界上最早研究3D打印技術(shù)的是美國3D Systems公司，于1986年推出第一臺快速成型機。3D打印系統(tǒng)是以數(shù)字化模型文件為基礎(chǔ)，如三維CAD模型，經(jīng)過分層切片處理后得到一系列的二維截面數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)控制3D打印機的驅(qū)動系統(tǒng)來帶動噴頭進行運動，噴出可粘結(jié)的材料，經(jīng)過逐層堆積的方式得到三維目標(biāo)實體。目前3D打印技術(shù)已被廣泛應(yīng)用到各個領(lǐng)域，如機器人、電子產(chǎn)品、生物醫(yī)學(xué)、航空航天、建筑行業(yè)等。3D打印具有其獨特的制造模式，直接將虛擬的數(shù)字化模型轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，簡化了生產(chǎn)流程，降低了產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期。

2 熔融式3D打印的工作原理

通過采用不同的材料及成型方式，使3D打印技術(shù)在實現(xiàn)方法上不斷創(chuàng)新。3D打印技術(shù)主要分為擠出成型、粒狀物料成型、光聚合成型等，根據(jù)材料和設(shè)備的不同，以上三種類型又分別有多種成型方式。

其中擠出成型是目前最容易實現(xiàn)的一種3D成型手段，主要以熔融沉積成型（FDM）技術(shù)實現(xiàn)[1]。熔融式3D打印機通過計算機控制已加熱的噴頭，根據(jù)模型設(shè)計的單層面數(shù)據(jù)在X-Y二維平面內(nèi)運動。噴頭可以將擠絲機傳送過來的絲狀打印材料熔化，然后從噴嘴擠出粘接到工作臺上，在空氣中冷卻后凝固。打印完一層之后，計算機控制噴頭上升一層材料的高度，繼續(xù)按下一層面的路徑完成打印并堆積起來，最終實現(xiàn)整個打印件的成型。

由于FDM技術(shù)是采用工業(yè)級熱塑材料進行成型加工的，與其他類型的3D打印相比，F(xiàn)DM成型的產(chǎn)品具有很好的耐熱性和耐腐蝕性，已在機械零件等產(chǎn)品中得到直接應(yīng)用。2012年由Stratasys公司研發(fā)的超大型快速成型機Fortus 900mc，具有相當(dāng)高的成型精度、較大的成型尺寸，可以進行產(chǎn)品級零部件的生產(chǎn)[2]。由于FDM實現(xiàn)成本較低，目前市場上銷售的3D打印機還是以FDM型設(shè)備為主，小型的FDM設(shè)備的價格甚至降到了幾千元。

3 3D打印機的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計

由于熔融式3D打印機的擠絲頭和熱床都要處于恒溫的狀態(tài)，采用加熱電阻對其進行加熱，然后通過熱敏電阻進行溫度的監(jiān)測。3D打印機采用的微控制器STM32F407擁有12位ADC模塊，可以實時采集CTCI Temp接口的電壓數(shù)值，其中接口連接的熱敏電阻通過分壓實現(xiàn)CTCI Temp接口電壓隨溫度變化，且控制器ADC采集到的電壓模擬量與熱敏電阻上的溫度變化之間具有良好的線性關(guān)系，具體參數(shù)可以通過溫度校對標(biāo)定出來。微控制器根據(jù)采集到的電壓轉(zhuǎn)換成溫度值，然后將這個溫度值與系統(tǒng)設(shè)置的目標(biāo)溫度進行對比，并進行PID調(diào)節(jié)，由CTCI Heat引腳輸出信號驅(qū)動功率管的導(dǎo)通與斷開，進而控制擠絲機和熱床的加熱電阻是否加熱。微控制器經(jīng)過PID調(diào)控使擠絲機和熱床的溫度浮動保持在一定范圍之內(nèi)，形成一個閉環(huán)的溫控系統(tǒng)。

PID調(diào)節(jié)控制是根據(jù)反饋值與設(shè)定值的偏差進行比例（P）、積分（I）、微分（D）運算，經(jīng)過計算輸出適當(dāng)控制信號給執(zhí)行端，促使反饋值逐漸接近設(shè)定值，進而實現(xiàn)自動控制[3]。PID控制已廣泛應(yīng)用于工程控制中，它有簡單、穩(wěn)定、參數(shù)調(diào)整方便等優(yōu)點。PID控制器公式為：

或表示成傳遞函數(shù)：

式中KP是比例增益系數(shù)，TI是積分時間常數(shù)，TD是微分時間常數(shù)，u（t）為輸出量，e（t）表示偏差。

PID控制器中通過調(diào)節(jié)KP，TI，TD三個參數(shù)來實現(xiàn)溫度的調(diào)節(jié)的。e（t）是采集信號與給定參數(shù)值的偏差值，通過PID調(diào)節(jié)使其趨近于0，從而輸出量也逐漸接近給定值，此時三個參數(shù)的值為最優(yōu)。PID運算一般需要建立一個用來保存PID運算所需要的三個參數(shù)KP，TI，TD以及設(shè)定值、歷史誤差的累加值等信息的結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)類型[4]。

PID運算后的返回值來控制定時器，根據(jù)定時器的調(diào)整控制輸出不同占空比的PWM波，進而控制加熱元件的工作時間，得到幾乎恒定的溫度。

4 PID測試結(jié)果分析

經(jīng)過圖1曲線對比可以看出，在PID調(diào)控下的溫度曲線，溫度上升為1分半鐘左右，超調(diào)量5%，3分鐘達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)，最終穩(wěn)定在180℃，且穩(wěn)態(tài)誤差較小。而無PID調(diào)控的升溫曲線，可以看出溫度的波動范圍一直在10℃左右，超調(diào)量較大，平均溫度也要高出目標(biāo)溫度5℃左右。

PID調(diào)控的溫度明顯要比無PID調(diào)控的穩(wěn)定得多，尤其在擠絲機穩(wěn)定運行以后，無PID調(diào)控的溫度波動范圍在10℃左右，平均溫度也要高出設(shè)定溫度5℃左右，而在PID調(diào)控下可以使溫度趨近于設(shè)置溫度。

由此結(jié)果分析可得，3D打印機的加熱系統(tǒng)通過PID調(diào)控對溫度能夠?qū)崿F(xiàn)精確控制，能滿足3D打印耗材對溫度的要求，保證了PLA材料在打印過程中處于最佳的熔融狀態(tài)。若無PID調(diào)節(jié)，擠出頭溫度過大波動，就有可能因為PLA耗材因為溫度過高而碳化，造成噴絲頭堵絲現(xiàn)象，影響打印效果。

參考文獻

[1]殷媛媛.上海軟科學(xué)研究基地——上?？茖W(xué)技術(shù)情報研究所前沿技術(shù)發(fā)展研究中心.全球3D打印技術(shù)發(fā)展的新趨勢[N].科技日報，2013-06-02（002）.

[2]王紅霖.3D打印技術(shù)制造業(yè)發(fā)展新趨勢[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟和信息化，2013，01：24-25.

[3]江曉波.化工乳液溫度控制系統(tǒng)設(shè)計[J].電腦知識與技術(shù)，2011，3

6：9531-9533.

[4]魏韜.SPCE061A數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2009.