林星翰

(北京工商大學人工智能學院，北京 100048)

3D打印就是計算機控制可黏合材料連續(xù)一層層鋪設，該技術的發(fā)展始于20世紀80年代，目前已經廣泛應用于許多行業(yè)[1]。3D打印的主要特點是可以制造傳統(tǒng)方法無法制造的復雜器件或者系統(tǒng)；另一個特點是不需要機械加工或模具，利用計算機圖形數據可以直接生成各種形狀的物體，大大縮短了產品的生產制造周期，提高了效率。通過多年的發(fā)展，3D打印改變了傳統(tǒng)的生產制造方式，開啟了新一輪世界范圍內的制造革命，節(jié)約了企業(yè)的生產成本。它的市場潛力很大，是制造業(yè)重點發(fā)展的一項新興技術[2]。

3D打印過程就是把設計好的3D器件模型用G-Code代碼的形式表現出來，然后將模型的G-Code代碼導入到3D打印機中打印出實體。因此，3D打印生產流程可分為3個步驟，即獲取模型代碼、模型打印和后處理[3]。針對模型的獲取主要有3種途徑。第1種是通過UG、Pro/E或SolidWorks等三維軟件設計；第2種是對已有的器件實物通過三維掃描儀掃描，重建該器件的三維模型；第3種是通過網絡模型庫獲取。在獲得打印模型后，需要檢查模型,確保模型完整，之后需要考慮模型的擺放角度和是否添加支撐。擺放好模型并做好支撐后[4-5]，進行切片參數設置，然后切片可獲得導入打印機的模型G-Code代碼。在3D打印前，需要對打印機進行參數設置，例如打印頭溫度、熱床溫度和打印速度等。后處理則是對打印完成的模型進行去毛刺、打磨以及拋光等處理。

3D打印機的中央控制系統(tǒng)是其核心部分，也是整個3D打印機構的指揮中心，通過解析相應的指令任務、接收傳感器信息以及控制機械結構與步進電機等硬件完成3D工件結構成形[6]。3D打印中央控制系統(tǒng)是上位PC機與X，Y，Z3個方向的步進電機、吐絲電機、溫度傳感器、加熱棒、限位開關等硬件設備之間的橋梁。3D打印主控電路板上的CPU芯片通過讀取TF卡或者SD卡中的G-Code文件，或者接收上位PC機發(fā)送的G-Code代碼指令，將指令解析之后，控制打印機各機構協同工作，完成打印。3D打印的過程控制對制造出來的器件質量有著非常大的影響，打印過程中對打印頭的溫度和運動軌跡等的控制直接決定了器件的質量[7-8]。隨著3D打印的廣泛應用，在航天領域，人們對3D打印的各項性能指標提出了更高的要求，尤其是在中央控制系統(tǒng)方面[9]。因此，發(fā)展3D打印中央控制系統(tǒng)的相關技術，可進一步推動整個3D打印產業(yè)鏈的升級。

本文將對3D打印過程中的運動控制、溫度控制和限位控制以及相應控制算法進行介紹，對比各類算法的優(yōu)缺點，并簡單敘述3D打印在相關領域的應用。

1 3D打印運動軌跡控制與優(yōu)化

3D打印運動軌跡控制的運動執(zhí)行器是步進電機，步進電機在3D打印中是將電信號脈沖轉換為相應角位移或者線位移的精密執(zhí)行機構，步進電機基于接收到的脈沖信號驅動電機按設定的方向旋轉固定角度，在沒有超過電機負載能力的前提下，電機的轉速、停止的位置只取決于加載在電機上脈沖的頻率和脈沖數，與負載沒有關系?，F流行的一種3D打印機是利用上位機和下位機(打印機)控制主板相配合來完成運動控制的，步進電機的脈沖信號以G-Code指令的形式由上位機產生，并將產生的信號傳遞給下位機，下位機執(zhí)行G-Code指令，即操縱步進電機轉動，步進電機帶動絲杠轉動，絲杠轉動帶動打印頭移動，同時G-Code指令中有對打印頭移動速度的設置。

1.1 打印頭運動軌跡規(guī)劃

計算機中的3D模型大多是以三角面所包裹的空間來近似表示，切片軟件則是通過將3D模型切片得到一系列的二維切平面，而打印頭如何在這些二維平面中進行運動控制是3D打印過程控制研究的核心技術。當打印頭運動軌跡合理時，打印效率和打印質量將會大幅提高。一般情況下，3D打印都是在笛卡爾坐標系中對運動軌跡進行規(guī)劃。運動軌跡多為直線，這是因為直線方便、高效，容易準確地測量出由指令控制打印頭移動的位移與實際打印頭移動的位移之間的誤差，便于檢測打印機構的精度以及后續(xù)運用算法對運動誤差進行補償。

張文君等[10]基于笛卡爾坐標系下桌面FDM的3D打印機設備，對設備箱體結構、運動系統(tǒng)的機械結構等進行了優(yōu)化設計，并對其驅動系統(tǒng)和運動控制部分進行了合理化改進，相關數據表明，改進后的設備能夠很好地保證機構運動的平穩(wěn)性并提升打印精度。

徐凡等[11]針對傳統(tǒng)的偏移或縮放的方法生成的多層旋轉體存在的一些局限性，設計了一種生成任意簡單多邊形的多層旋轉體算法，解決了分層在旋轉時的碰撞問題。這樣設計可以使得三維物體在較為壓縮的空間上進行打印生產，生產完成后再通過旋轉的方式展開為三維物體，并且無需后期組裝，提高了打印效率和打印精度。但是文中只使用了一種結構來組裝旋轉體的各層，對于使用更多不同的結構來豐富不同層之間的組合方式，算法仍具有一定的局限性。

1.2 打印頭運動控制優(yōu)化方法

3D打印對步進電機運動的控制需要很好的算法控制及軌跡優(yōu)化策略，才能提高3D打印的整體性能。打印機在打印過程中需要打印頭在單位時間內打印出的體積與擠出機在單位時間內擠出耗材的體積相等，即線寬×層高×打印頭單位時間移動距離=耗材截面積×單位時間內耗材消耗長度，做到材料進給量與打印頭對材料的吐出量很好地耦合才能提高打印效率和打印零件的質量。

針對打印過程中的控制優(yōu)化問題，3D打印領域的科研人員提出了許多控制策略算法。相關研究成果如下：

馬晨曦等[12]針對傳統(tǒng)的數控機床在加工折線時存在的因進給系統(tǒng)反復驟停而影響加工效率的問題，提出了優(yōu)化折線光滑轉接加工的控制算法，并針對由直線段和曲弧段組成的連續(xù)曲線整體加工控制問題，基于S型曲線模型[13]提出了一種加加速度連續(xù)的改進算法，從而提高了打印效率和打印質量。

蔡銳龍等[14]針對數控加工中傳統(tǒng)S型加減速算法在處理加加速度時出現的階躍問題，提出了一種四階S型曲線柔性加減速算法。首先在傳統(tǒng)S型加減速控制的基礎上，重構了加減速控制模型，將加加速度的變化規(guī)律設計為三角形狀連續(xù)變化。然后針對重構的模型，對算法的求解進行了方案設計，采用分類討論和循環(huán)迭代相結合的方法進行算法求解，采用勻速補償法克服不同精度要求下算法耗時不穩(wěn)定的問題[15]。仿真結果表明，在滿足數控系統(tǒng)實時性要求的前提下，提高了數控加工的運動平穩(wěn)性。

陳志偉等[16]針對傳統(tǒng)的直線加減速算法和指數加減速算法的速度突變問題以及傳統(tǒng)七段式S型加減速算法運算繁瑣的問題[17]，提出了基于logistic模型實現的S型加減速算法，減少了運算量，同時將傳統(tǒng)的七段式S型加減速算法優(yōu)化成五段式，使得運算量更小，速度曲線更加平滑[18]，提高了速度曲線的平滑性和靈敏性，讓模型調試更加簡單。

針對現有的定細分數3D打印步進電機控制方法在追求高精度打印的同時往往會犧牲打印速度的情況，姚緒梁等[19]提出了一種變細分數的3D打印步進電機控制方法，即在大距離范圍內打印時采用低細分數，用于提升打印機運行速度；在小距離范圍內采用高細分數，來保證打印精度。變細分數控制方法在控制步進電機運行速度的同時[20-22]，保證了打印精度，使得打印件的打印質量得到了提升。

Lin等[23]提出了一種新的SFC(space-filling curve，空間填充曲線)型刀具路徑規(guī)劃方法，將規(guī)劃任務定義為一個旅行推銷員問題(traveling salesman problem，TSP)。首先在輸入曲面上生成一組規(guī)則的刀具接觸點，用一種切削仿真方法來評估扇貝誤差，并確定交叉進給方向下一個刀觸點(cutter contact point,CC)的位置。然后將得到的CC輸入到一個高效的TSP 求解器LHK中，得到最優(yōu)的CC點連接序列，結果表明，該方法能夠自動找到最優(yōu)進給方向，且生成的刀具軌跡比傳統(tǒng)的SFC方法短[24]。最后通過切削實驗驗證了該方法的可行性。

Ding等[25]考慮了曲面層路徑規(guī)劃，用線性和三次樣條逼近從切片階段得到的多邊形，提供了一種使用五軸打印機來打印外殼類型對象的方法。該方法利用附加的兩個打印機自由度來提供彎曲鋪設路徑規(guī)劃[26]，結果表明，該策略在很短的時間內提高了打印工件的質量。

王騰飛[27]針對當前用于3D打印數據處理的分層算法和路徑規(guī)劃算法存在的問題進行了細致的研究，提出基于等距偏移算法的路徑規(guī)劃方法[28]，即選取基于三角面片位置的分層算法和在輪廓偏置算法的基礎上采用等距離輪廓偏置，最后通過實驗證明有效的數據處理能夠高效地提高成形件的精度和強度，以及設備的制造效率。

總而言之，3D打印軌跡規(guī)劃與控制規(guī)劃算法的設計與優(yōu)化直接影響整個打印的效率與質量，優(yōu)化的算法可以提高打印頭運動的平穩(wěn)性以及運動精度，提高打印效率與打印質量。

2 溫度控制

溫度精確控制是3D打印性能的重要組成部分，因此需要實時監(jiān)測打印頭溫度是否正常，即溫度采集模塊正常工作時系統(tǒng)能夠實時接收打印頭的溫度信息，當溫度采集模塊異常時能夠自動提示溫度異常信息，方便故障分析。眾所周知，對溫度的控制精度能夠直接影響3D打印的效率和質量。打印時耗材在熔融狀態(tài)下通過擠出機對耗材的向前傳送，將加熱腔內熔融的耗材從打印頭中擠出，因為不同的打印耗材熔點不同，所以在打印時需要根據打印耗材的熔點設置打印溫度。一般情況下打印溫度都高于耗材的熔點，但是過高的溫度會使噴嘴出口處變得黏稠，影響距離噴嘴較近處已打印的部分，甚至導致打印件發(fā)生變形；然而當溫度偏低時，則會加快材料的凝固，在噴嘴吐出的耗材剛堆積到打印的區(qū)域時耗材便凝固，不能和之前的打印材料很好的粘結，導致耗材在堆積粘黏時易出現裂紋和粘黏不牢的現象，溫度過低時甚至會導致打印耗材無法從打印頭中噴出，出現打印不能順利完成的情況。因此，打印系統(tǒng)對溫度控制的好壞決定著打印能否順利進行并直接影響打印效率和打印質量。

Yang等[28]設計了一種采用FPGA(field programmable gate array, 現場可編程門陣列)控制的恒溫系統(tǒng)。打印3D模型時，環(huán)境溫度會隨著時間的推移而升高，因此控制環(huán)境溫度很重要。用戶設定溫度范圍后，恒溫系統(tǒng)根據感知到的環(huán)境溫度，控制風扇打開或關閉。當FPGA接收到運行中的風扇發(fā)出的信號時，FPGA可以計算出風扇的轉速并實時監(jiān)測系統(tǒng)中風扇的轉速，以此來降低耗材的消耗。

Lin等[29]以PID算法為主要研究對象，結合模糊理論設計了一種基于模糊推理的自適應PID控制算法，同時設計了恒溫箱的機械結構部分和測量控制部分的軟硬件。實驗數據表明，恒溫箱內溫度的控制穩(wěn)定性小于0.05 ℃，證明所使用的模糊自適應PID控制算法和設計的恒溫系統(tǒng)是合理和有效的。

Agron等[30]開發(fā)了一套監(jiān)測和控制集成系統(tǒng)，用于降低制造產品的熱降解風險，防止打印失敗、噴嘴堵塞。在監(jiān)測程序中，采用兩級滑動窗策略的時間神經網絡準確地提供了噴嘴尖端的熱值的預測值，這些估計的熱值被用來作為控制系統(tǒng)的刺激[31]，根據熱值的預測值控制系統(tǒng)執(zhí)行相應的操作以防止整個設備發(fā)生異常。

Lee等[32]研究了單區(qū)空間室內空氣溫度的控制。首先，建立了太陽能LHTS新風空調系統(tǒng)的溫控數學模型；然后，針對變風量空調系統(tǒng)非線性、擾動大、不確定性大的特點，提出了一種模糊PID控制方法，并將其應用于室內溫度控制。在模糊控制的幫助下，PID的參數可以在線調節(jié)。結果表明，模糊PID控制同時具有模糊控制和PID控制的優(yōu)點，能夠以簡單的步驟提高復雜控制系統(tǒng)的控制效果。

從上述多個文獻可知，當前3D打印中央控制系統(tǒng)的溫度精確控制算法主要使用的是模糊PID算法及其改進算法。

3 其他功能

隨著3D打印快速發(fā)展，市場和消費者提出了更為高級的功能需求，促使從事3D打印研究的相關科研人員、技術人員以及愛好者對3D打印機的結構及功能進行了很大的改進和完善。相應的限位控制和自動調平等功能也不斷被優(yōu)化和更新，3D打印機的功能越來越豐富多樣，使得3D打印技術越來越成熟。

3.1 限位控制

在3D打印機中，使用限位控制是保護打印機安全的重要措施。限位控制能防止移動機構與邊框碰撞而造成機器的損壞，因此施加限位控制是必不可少的環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的打印機多是利用限位開關，當打印移動機構碰撞上機械限位開關或者遮擋住光電限位開關時，規(guī)定此時打印機的位置為相應軸的零點，結合程序或者軟件中對該軸的行程距離設定，限制打印機移動機構的行程。當移動機構觸發(fā)限位時，電機停止轉動，系統(tǒng)根據基準點主動計算需要多少個脈沖數能夠達到程序或者軟件所規(guī)定行程，當電機轉動對應的脈沖數時，移動機構所處的位置即為最大行程處。

郝亞沖等[33]設計了一種結合CPLD的3D打印機的嵌入式系統(tǒng)，用該系統(tǒng)實現了模擬信號采集、數據處理以及信號控制等功能。重點研究了該系統(tǒng)的運動控制系統(tǒng)，采用兩相混合式步進電機專用驅動器A4988實現步進細分驅動，設計了步進機驅動電路；采用TCRT5000光電傳感器精確控制X、Y、Z軸行程，設計了限位開關電路，解決了打印精度和速度等根本性問題。

3.2 自動調平

隨著3D打印技術的不斷進步，市場和消費者對3D打印件打印精度和打印質量的要求也日漸增高。目前打印件的承接平臺也就是熱床的調平大多還是人工進行手動調平，這種調平方式繁瑣且精度低，如果熱床不平則會引起打印件的底面呈現傾斜狀態(tài)甚至打印失敗。針對調平問題，相關學者設計出了自動調平功能，首先在打印頭上安裝自動調平模塊的觸頭，觸頭跟隨打印頭移動；然后用觸頭接觸熱床上不同位置的點，控制系統(tǒng)自動記下在不同位置處打印頭下移或者熱床上移的距離。在打印頭進行首層打印時，系統(tǒng)通過控制面板根據之前記錄的各個點的下移或者熱床上移的距離，控制噴嘴在不同的位置噴出層高不同的耗材進行首層的補償，離噴嘴垂直距離較大處多噴耗材，離噴嘴垂直距離較近處噴嘴少噴耗材。首層如此處理后，接下來打印第二層時打印頭距離打印完的首層平面各個位置的距離就一致了?？傊?，對于熱床不處于水平面的情況，通過補償首層高度，使得打印面在打印首層平面后處于水平面上，從而能夠獲得更好的打印效果。

周春燕[34]針對小型平臺進行了自動調平控制系統(tǒng)的研究，結合實際要求，通過比較多種方案的優(yōu)缺點，設計出一款以ATmega162單片機為中控核心的小型平臺機電式自動調平控制系統(tǒng)，實現了小型平臺的快速、穩(wěn)定、高精度自動調平[35]，解決了長期以來人工手動調節(jié)小型平臺所帶來的費時、費力、調節(jié)精度低等缺點。實驗表明，調平狀態(tài)穩(wěn)定后，水平方向的角度誤差穩(wěn)定在-0.02°～0.02°，從啟動到熱床穩(wěn)定處于水平狀態(tài)，調平時間小于2 min，無論調平時間還是調平精度都很理想。

3.3 力控制

由于市場對3D打印技術的要求不斷提高，因此某些3D打印應用場景中還需要實施力控制。

Qu等[36]介紹了兩種具有不同力量程和傳感分辨率的三維打印微力傳感器的研制歷程。首先通過有限元仿真評估傳感器設計的可行性，并通過實驗驗證SLA和FDM的3D打印分辨率，實現了較高的傳感器柔韌性。應變片附著在3D打印的模型上，用于力的采集。該力傳感器的設計基于ISO 14577標準，可以量化傳感器的精度和靈敏度。使用開發(fā)的力傳感器對PDMS樣品進行了兩次概念驗證演示[37]，兩種力傳感器測得的PDMS樣品的楊氏模量值較為一致。該結果也與之前報道的數據一致，證明了3D打印力傳感器的有效性。

在此之前，Qu等[38]還設計與標定了微牛頓分辨率的3D打印力傳感器，即基于兩種典型的3D打印技術——熔融沉積法(FDM)和立體光刻技術(SLA)，構建了特征尺寸小于0.3 mm的聚合力傳感器結構[39]。兩個3D打印的應變式力傳感器覆蓋不同的力測量范圍，分別為4.3 μN和56 μN。文獻[39]介紹的實驗技術能使用入門級3D打印機實現高性能力傳感器的快速成型，易于滿足各種力感系統(tǒng)定制設計要求。

上述的限位控制、自動調平以及力控制主要是根據3D打印機機構安全以及具體打印需求添加的功能，也就是研究人員可以根據不同的3D打印材料或者需求增加對應的功能。

4 應用領域及問題

隨著科技的不斷發(fā)展，3D打印技術逐漸變?yōu)橐环N新興的制造技術。在航空領域中，3D打印正在進入產業(yè)化生產階段，例如奧地利Lithoz公司利用LCM技術打印出了用來生產單晶鎳基合金渦輪葉片的鑄造型芯、定向凝固鑄造型芯、等軸鑄造型芯等模具部件。然而，3D打印技術門檻很高，對溫度控制精度、材料純凈程度等都有嚴格要求，歐美發(fā)達國家的企業(yè)研究了很多年，仍只能制作一些小部件，體積稍大點就會有缺陷。和傳統(tǒng)加工方式相比，3D打印材料的強度、剛度、機械加工性能等仍不夠理想，即3D打印產品質量方面的問題還有很多，需要一一解決。

2014年12月，美國研制的微重力3D打印機在國際空間站打印出套筒扳手[40]，3D打印機未來有望用于制造國際空間站30%以上的備用部件。藍色起源公司和美國太空探索技術公司都利用3D打印技術為其運載火箭建造了一些部件和工具，例如渦輪泵。2015年4月，中國航天科工集團第六研究院41所應用3D打印技術制作的某型號發(fā)動機點火裝置成功通過發(fā)動機地面試車考核。2016年初我國的某3D打印制造技術項目實現了國內首次3D打印技術在轉子類零件上的應用，顯著提升了發(fā)動機綜合性能。然而，限制3D打印技術在航天領域應用的因素主要是太空中的真空環(huán)境，在惡劣的真空環(huán)境中影響航天器工作的因素有很多。目前3D打印出的零部件僅適用于小型、薄壁的組件，而體積較大的航天器部件，目前還處于系統(tǒng)性的工藝和結構優(yōu)化的研究階段。

3D打印技術在醫(yī)療領域也得到了廣泛應用，例如制備特定患者的解剖模型、解剖學操縱輔助工具，制備個性化的特異性植入物(如骨骼、韌帶和其他結構)。如果在植入物上加載活性物質，能發(fā)揮更大的作用。目前限制3D打印技術進一步在醫(yī)學上發(fā)展的主要因素是3D打印材料，3D成型植入物是靜態(tài)無生命的，但人體內的環(huán)境是復雜多變的，人體中的許多反應機制目前還不明確，打印材料在人體內并不能隨著體內環(huán)境的變化而進行相關的適應性調整，因此無法達到理想的治療效果。

總之，3D打印技術可以應用的領域很多。無論是在各大新聞中出現的各領域的3D打印尖端技術成果，還是在各大儀器展覽會上越來越多的3D打印產品或樣機，都可以證明3D打印技術正被各國高度，重視并且該技術也在不斷高速發(fā)展與創(chuàng)新。

5 結束語

目前，3D打印技術仍處于技術發(fā)展階段，也正是因為受到技術的限制，3D打印對新商業(yè)模式的參與仍較少。我國高度重視增材制造產業(yè)，政府就增材制造推出了一系列的扶持政策。3D打印技術在航空航天及醫(yī)療領域的應用前景非常廣闊，市場對制造提出的各種特殊需求對3D打印技術起著不斷推動的作用，因此3D打印技術打印出的航空航天和醫(yī)療產品的市場價格將會逐步降低。相信在不遠的將來，3D打印技術在航空航天以及醫(yī)療等領域的應用會越來越廣泛，甚至促使大規(guī)模廉價航天器時代的快速到來。