基于FDM技術(shù)的3D打印機(jī)控制技術(shù)分析與研究

雷子山

摘 要：社會的不斷進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)水平的快速提升，給加工制造業(yè)的發(fā)展提出了更高的要求。新型產(chǎn)品的大量涌現(xiàn)，給加工制造企業(yè)的發(fā)展帶來了巨大的競爭壓力，最關(guān)鍵的莫過于技術(shù)創(chuàng)新問題。而基于FDM技術(shù)的3D打印機(jī)控制技術(shù)不僅可以有效縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，還能降低制造技術(shù)使用的復(fù)雜性，提高產(chǎn)品制造效率和企業(yè)發(fā)展競爭力。

關(guān)鍵詞：FDM技術(shù);3D打印機(jī)控制技術(shù);技術(shù)創(chuàng)新

中圖分類號：TP334.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）23-0008-03

Analysis and Research of 3D Printer Control Technology

Based on FDM Technology

LEI Zishan

（Guangzhou Technician College，Guangzhou Guangdong 510410）

Abstract： The continuous improvement of the society and the rapid improvement of the economic level have put forward higher requirements for the development of the processing industry. The emergence of a large number of new products has brought tremendous competitive pressure to the development of processing and manufacturing enterprises. The most critical issue is the problem of technological innovation. The 3D printer control technology based on FDM technology not only can effectively shorten the product development cycle， but also reduce the complexity of manufacturing technology， improve product manufacturing efficiency and enterprise development competitiveness.

Keywords： FDM technology;3D printer control technology;technological innovation

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新，基于熔融沉積成型技術(shù)（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM）的3D打印機(jī)控制技術(shù)在當(dāng)前加工制造行業(yè)中得到了較為廣泛的應(yīng)用。該技術(shù)具有生產(chǎn)成本低、打印材料適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，給加工制造企業(yè)的發(fā)展帶來了巨大的競爭優(yōu)勢?；贔DM技術(shù)的3D打印機(jī)控制技術(shù)是一種新型的加工技術(shù)，其不僅被應(yīng)用在制造行業(yè)，還被應(yīng)用在醫(yī)療和國防等領(lǐng)域。但是，3D打印機(jī)控制技術(shù)的使用成本較高，這樣就給產(chǎn)品的制造帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)壓力。因此，人們應(yīng)加大對3D打印機(jī)控制技術(shù)的創(chuàng)新，確保實(shí)現(xiàn)本土化發(fā)展，以提高我國制造業(yè)的總體發(fā)展水平。本文就針對基于FDM技術(shù)的3D打印機(jī)控制技術(shù)展開具體的分析與討論。

1 基于FDM技術(shù)的3D打印機(jī)核心結(jié)構(gòu)和工作原理

分析與了解基于FDM技術(shù)的3D打印機(jī)核心結(jié)構(gòu)和工作原理，有助于人們設(shè)計(jì)較為完善的3D打印機(jī)控制系統(tǒng)，提高產(chǎn)品制造效率。

3D打印技術(shù)是一種材料疊加制造技術(shù)，其在工作時以打印件的模型為基礎(chǔ)，通過運(yùn)用蠟材、塑料等特殊材料來實(shí)現(xiàn)打印材料的黏合，確保完整地打印出物體的實(shí)體結(jié)構(gòu)。而基于FDM技術(shù)的3D打印機(jī)的主要工作原理為：控制噴頭，使其在打印機(jī)零件的截面外側(cè)邊線輪廓和內(nèi)側(cè)輔助填充線條組成的區(qū)域展開運(yùn)行，這樣噴頭內(nèi)的打印材料受到高溫的影響，會逐漸融化，其融化后會再次凝固，從而完成一個截面的單層堆積[1]。

就針對基于FDM技術(shù)的3D打印機(jī)而言，其主要包括機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)兩個部分。其中，控制系統(tǒng)的功能主要是實(shí)現(xiàn)打印材料的打印。而基于FDM技術(shù)的3D打印機(jī)主要包括送絲機(jī)構(gòu)、擠出機(jī)構(gòu)、運(yùn)動機(jī)構(gòu)、工作平臺和控制系統(tǒng)等部分。其中，工作臺是物體打印的主要成型場所，當(dāng)收到相關(guān)的打印指令后，步進(jìn)電機(jī)就會帶動絲材通過送絲機(jī)構(gòu)進(jìn)入擠出機(jī)構(gòu)，這樣材料就會在擠出機(jī)構(gòu)受到高溫的影響而被擠出，而在熔融狀態(tài)下，相應(yīng)的打印材料就會逐步成型。最后再將成型的材料輸送到噴嘴部分，而噴嘴部分可沿著二維平面的路徑實(shí)現(xiàn)對材料的打印，這樣每打印完一個平面，其就會沿著Z軸移動到下一個平面，以此以層層黏結(jié)的方式完成對物體結(jié)構(gòu)的立體成型[2]。

基于FDM技術(shù)的3D打印機(jī)控制技術(shù)可以有效縮短新產(chǎn)品的研制周期，提高復(fù)雜模型的打印概率，有效提高復(fù)雜模型的加工制造能力。此外，該技術(shù)的整個應(yīng)用過程都為數(shù)字化操作，減少了人為因素的影響，能及時發(fā)現(xiàn)并修改設(shè)計(jì)錯誤，有效降低經(jīng)濟(jì)損失，提高產(chǎn)品制造的成功率。

2 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

當(dāng)前，基于FDM技術(shù)的3D打印機(jī)主要采用同一直徑噴嘴和分層高度，對工件表面、內(nèi)部支撐以及輔助支撐展開打印。控制系統(tǒng)主要包括溫度控制系統(tǒng)和伺服控制系統(tǒng)兩部分。其中，溫度控制系統(tǒng)主要控制打印機(jī)運(yùn)行溫度，而伺服控制系統(tǒng)主要控制3D打印機(jī)對相關(guān)打印材料所執(zhí)行的動作。該系統(tǒng)的核心部分采用ATmega2560作為主要電路板，通過軟件與硬件的密切配合，不僅可以實(shí)現(xiàn)USB的良好通信，確保有效接受打印指令，還能控制整個伺服電機(jī)，實(shí)現(xiàn)對相關(guān)打印材料的讀取和存儲。

3D打印機(jī)對打印材料的打印不是由某個單一部分完成，而是需要各個部分協(xié)同合作，這樣才能確保打印材料在打印的過程中不間斷運(yùn)行，提高該技術(shù)使用的安全性和有效性。在打印材料時，3D打印機(jī)首先要建立完整的三維模型，模仿打印材料的空間布局和結(jié)構(gòu)，再對三維模型進(jìn)行切片處理，將其處理為切片文件并將其載入上位機(jī)中，為打印工作的展開做好充分準(zhǔn)備[3]。而在具體打印時，應(yīng)調(diào)平整個外部的機(jī)械結(jié)構(gòu)，根據(jù)打印需求，合理設(shè)置打印機(jī)工作平臺和擠出機(jī)結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)，并將擠出結(jié)構(gòu)的溫度調(diào)至合理范圍，有效滿足打印材料的打印需求。此外，溫控系統(tǒng)可以合理監(jiān)控打印溫度，一旦溫度過高或者過低，其就會自動調(diào)節(jié)，確保材料定型，有效提高產(chǎn)品的制造精度。

2.1 IO控制電路設(shè)計(jì)

在3D打印機(jī)運(yùn)行時，外界電路會干擾ATmega2560主控制系統(tǒng)的運(yùn)行，使其極易出現(xiàn)差錯。人們可以添加光耦電路來實(shí)現(xiàn)對電路的隔離，避免其影響主控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。此外，還可以使用邏輯電平轉(zhuǎn)換芯片來實(shí)現(xiàn)對IO信號的轉(zhuǎn)換，確保滿足邏輯電平轉(zhuǎn)換和差分轉(zhuǎn)換要求。本控制系統(tǒng)采用TLP521作為主要光電隔離元件，伺服驅(qū)動器的工作電壓為5V，整個系統(tǒng)屬于3V和5V的混合電路，可以實(shí)現(xiàn)對電壓值的良好切換，為打印工作的開展?fàn)I造良好的電壓環(huán)境，提高3D打印技術(shù)使用的安全性和穩(wěn)定性[4]。

2.2 伺服控制系統(tǒng)研究

3D打印機(jī)的傳動系統(tǒng)主要由42步進(jìn)電機(jī)、同步輪以及聯(lián)軸器等部分組成。其中，電步軸的直徑約為5mm，故其所需電流量較小。但是，步進(jìn)電機(jī)可以有效地將電脈沖信號轉(zhuǎn)換為角位移，有效傳輸相關(guān)信號，提高產(chǎn)品生產(chǎn)精度。打印機(jī)運(yùn)行期間，步進(jìn)電機(jī)要設(shè)定運(yùn)行角度和方向，確保其合理移動，以帶動整個3D打印機(jī)的執(zhí)行結(jié)構(gòu)運(yùn)行。其中，電脈沖的個數(shù)可以控制整個角位移量，而電脈沖信號的頻率也可控制整個電機(jī)的速度。步進(jìn)電機(jī)在運(yùn)行時會產(chǎn)生振動現(xiàn)象，倘若不進(jìn)行控制處理，就會影響整個打印機(jī)的工作效率，增加打印誤差。因此，人們可以將A4988芯片設(shè)置為1/16驅(qū)動，并對其進(jìn)行進(jìn)一步的細(xì)分，確保步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子運(yùn)行曲線更加細(xì)滑和流暢，有效控制伺服系統(tǒng)的運(yùn)行精度，提高伺服系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量[5]。

2.3 溫度控制系統(tǒng)研究

3D打印機(jī)溫度控制系統(tǒng)的運(yùn)行目的主要是實(shí)現(xiàn)對溫度的采集和輸出。其中，打印機(jī)的加熱模塊主要包括噴頭和熱床兩部分。3D打印機(jī)工作期間，需要先加熱材料，再對其進(jìn)行冷卻，實(shí)現(xiàn)對材料的定型。噴頭裝置的作用是提高溫度，給絲材加熱，使其達(dá)到熔融溫度。值得注意的是，倘若溫度設(shè)置過高，整個絲材會碳化分解，堵塞整個噴頭;倘若溫度設(shè)置過低，絲材不會達(dá)到熔融狀態(tài)。因此，應(yīng)合理設(shè)置噴頭溫度，將溫度控制在合理范圍內(nèi)，確保絲材順利黏附。

噴頭和熱床的溫度不是隨意設(shè)定的，要根據(jù)絲材的材料性能進(jìn)行設(shè)置。本系統(tǒng)采用的絲材類型為ABS，其所需要的熱床溫度為110℃，噴頭的溫度為230℃。加熱時選用加熱棒，并利用熱敏電阻實(shí)現(xiàn)對加熱情況的反饋[6]。為了確保打印工作順利展開，人們必須將溫度控制在合理范圍內(nèi)，打印前應(yīng)對噴頭和熱床進(jìn)行預(yù)熱，保證打印機(jī)運(yùn)行溫度。但是，在預(yù)熱時，熱敏電阻兩端的電壓會隨著絲材溫度的上升而發(fā)生變化，而控制板的A0和A1模擬量的輸入端口可讀取熱敏電阻兩端的電壓，進(jìn)而通過A/D轉(zhuǎn)換模塊來實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號的有效轉(zhuǎn)換，保證打印溫度，快速結(jié)束預(yù)熱，促進(jìn)打印工作正常開啟[7]。

2.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

通過對相關(guān)虛擬模型的設(shè)計(jì)與分析，人們可以制定一套完整的適合加工制作的設(shè)計(jì)方案。但在具體設(shè)計(jì)時，要根據(jù)模型、圖紙以及相關(guān)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)樣式或者尺寸展開實(shí)體加工工作，確保研制出基于FDM技術(shù)的3D打印機(jī)。其中，打印機(jī)的外框主要采用有機(jī)玻璃板材質(zhì)，整個外觀較為整潔，功能較為完善。為了驗(yàn)證基于FDM技術(shù)的3D打印機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行的可行性和有效性，人們可以選擇一個結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的元件進(jìn)行加工。加工時應(yīng)將料盒所生成的切片文件通過SD卡保存在3D打印機(jī)上，確保其完成加載和執(zhí)行操作。而通過測試可知，所打印出的成品符合相關(guān)產(chǎn)品生產(chǎn)需求。打印出的工件不僅表面光滑、整潔，而且紋理分明，整個內(nèi)部結(jié)構(gòu)排列有序。因此，基于FDM技術(shù)的3D打印機(jī)控制技術(shù)能夠有效滿足工件的制作需求[8]。

3 未來的展望

當(dāng)前，基于FDM技術(shù)的3D打印機(jī)控制技術(shù)可以有效滿足工件制造需求，人們要合理控制工件的制造精度，減少制造誤差。現(xiàn)有的3D打印機(jī)在運(yùn)行時還較易出現(xiàn)溢流、斷絲等問題，影響3D打印機(jī)打印精度和打印質(zhì)量的因素有很多，如絲材類型、加熱溫度以及工件質(zhì)量等。未來，在對該技術(shù)進(jìn)行研究時，人們應(yīng)關(guān)注外在因素對打印質(zhì)量的影響，提高整個工件的打印質(zhì)量和制造精度。此外，打印材料仿真分析往往具有一定的局限性，人們不能根據(jù)實(shí)際打印環(huán)境來合理控制打印進(jìn)程，導(dǎo)致仿真結(jié)果與實(shí)際構(gòu)件之間存在較大的誤差。因此，在對該系統(tǒng)進(jìn)行研究時，應(yīng)更加注重該系統(tǒng)使用的靈活性，確保其能夠?qū)崿F(xiàn)對構(gòu)件的良好仿真，最終實(shí)現(xiàn)對構(gòu)件的完全打印和還原。打印時使用不同的分層處理技術(shù)，其產(chǎn)生的試驗(yàn)結(jié)果精度也不盡相同。因此，在制造相應(yīng)的產(chǎn)品時，人們應(yīng)根據(jù)工件的具體需求實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造，有效降低工件的制造精度[9]，促進(jìn)我國制造業(yè)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定發(fā)展。

4 結(jié)論

不斷研究與分析基于FDM技術(shù)的3D打印機(jī)控制技術(shù)，有助于有效提高產(chǎn)品制造精度，減少產(chǎn)品制造誤差，縮短產(chǎn)品制造周期。因此，人們應(yīng)首先認(rèn)識與了解基于FDM技術(shù)的3D打印機(jī)核心結(jié)構(gòu)及工作原理，進(jìn)而從IO控制電路設(shè)計(jì)、伺服控制系統(tǒng)研究、溫度控制系統(tǒng)研究以及試驗(yàn)驗(yàn)證四個方面來展開3D打印機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作，確保充分發(fā)揮該系統(tǒng)的應(yīng)用價(jià)值，提高3D打印機(jī)的工作穩(wěn)定性和產(chǎn)品生產(chǎn)效率，促進(jìn)我國生產(chǎn)制造行業(yè)快速、穩(wěn)定發(fā)展。

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