3D打印機(jī)中的溫度控制研究

孔慶芳

(天津現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院 天津300350)

應(yīng)用技術(shù)

3D打印機(jī)中的溫度控制研究

孔慶芳

(天津現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院 天津300350)

3D打印是一種可廣泛應(yīng)用的新型制造技術(shù)，起源于快速成型技術(shù)。近年來，該技術(shù)發(fā)展迅速，可打印的材料也日趨豐富，對制造業(yè)具有劃時代的意義。3D打印機(jī)的溫度控制系統(tǒng)直接關(guān)系到打印產(chǎn)品的效果。針對3D打印機(jī)的溫度控制模塊開展了研究，設(shè)計并采用金屬鉑熱電阻作為溫度傳感器和閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)。為保證溫度控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在硬件設(shè)計中加入了集成單電源儀表放大器AD623，在軟件設(shè)計中也進(jìn)行了屏蔽干擾處理。

3D打印 溫度控制 溫度傳感器

1 3D打印技術(shù)概述

1.1 起源

快速成形技術(shù)(又稱自由成形技術(shù))出現(xiàn)于20世紀(jì) 90年代。不同于傳統(tǒng)的加工技術(shù)，該技術(shù)無需機(jī)床和模具，是以 CAD技術(shù)、數(shù)控技術(shù)和材料技術(shù)等為核心的新型制造技術(shù)?？焖俪尚渭夹g(shù)的問世，既降低了成本，又節(jié)約了人力，是制造業(yè)一項具有劃時代意義的創(chuàng)新。

經(jīng)過多年試驗，快速成形技術(shù)關(guān)鍵設(shè)備——快速成形機(jī)也已問世，在設(shè)計新產(chǎn)品、測試驗證方面得到了很好的應(yīng)用，但在使用過程中也暴露出一些弊端。例如，受限于機(jī)構(gòu)特點(diǎn)，快速成形機(jī)制作的工件多數(shù)為樣品，不能實現(xiàn)具體的功能。另外，主要配件如激光器和震蕩鏡成本太高，難以廣泛應(yīng)用。3D打印技術(shù)就是在這種背景下問世的。

1.2 應(yīng)用

3D打印技術(shù)的應(yīng)用范圍非常廣泛。在房地產(chǎn)業(yè)，該技術(shù)可以打印內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常精細(xì)的沙盤模型。珠寶公司設(shè)計的概念性或者私人定制的首飾可以通過 3D打印技術(shù)來實現(xiàn)，為個性化路線提供了技術(shù)支持。服裝設(shè)計中，可以通過 3D打印機(jī)直接打印設(shè)計的服裝，使服裝更具立體感和整體效果。3D打印技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用可以為醫(yī)療事業(yè)發(fā)展做出巨大貢獻(xiàn)，如打印人造器官，解決目前器官短缺的問題。在教育教學(xué)中，采用 3D打印技術(shù)可以把設(shè)計及構(gòu)思形象化地打印出來，更好地進(jìn)行研究改進(jìn)。在影視業(yè)中，該技術(shù)打印設(shè)計的卡通造型及大型模型效果極佳。另外，3D打印技術(shù)在食品業(yè)中也有應(yīng)用。

2 3D打印機(jī)的溫度控制

2.1 熱傳遞

3D打印機(jī)的打印頭在工作中存在熱傳導(dǎo)和熱對流兩種熱傳遞方式。在打印過程中，固體打印材料在打印頭被加熱腔加熱成液體，并保持熔融狀態(tài)，具有良好的粘流動性、適合的絲寬及良好的粘接性能，從而保證試件質(zhì)量，這就是熱傳導(dǎo)過程。為了使打印過程順利完成，試件符合標(biāo)準(zhǔn)，避免加熱腔溫度過低或過高，需要保持恒溫，而當(dāng)溫度過高時需開通冷氣來降低溫度，這就是熱對流過程。

2.2 溫度傳感器

溫度傳感器是一種將外界感知的溫度信號轉(zhuǎn)換成電路中有用的電信號的裝置。溫度傳感器包括金屬熱電阻、熱電偶、新型集成溫度傳感器等。工業(yè)溫控系統(tǒng)中常用的是金屬熱電阻或熱電偶，而新型集成溫度傳感器件多應(yīng)用于小型的測溫電路中。

金屬熱電阻主要有金屬鉑電阻和銅電阻兩種。鉑電阻的測溫范圍為-200～500,℃，銅電阻的測溫范圍為-50～150,℃。使用熱電阻測溫結(jié)構(gòu)簡單，不需要外加補(bǔ)償電路。兩種熱電阻相比較，銅電阻成本較低、測溫范圍較??；鉑電阻成本較高、測溫范圍較大，在選用時可根據(jù)具體溫度綜合考量。

熱電偶是根據(jù)金屬的熱電效應(yīng)制成的。它是由兩種不同材料的導(dǎo)體組成的閉合回路，只要導(dǎo)體兩端溫度不同，就會在閉合的回路中產(chǎn)生電勢差。測溫范圍為-270～2,700,℃。熱電偶測溫范圍大、成本低、性能穩(wěn)定，但是在使用時需要外加溫度補(bǔ)償電路。

3D打印機(jī)選取何種溫度傳感器與打印的材料有關(guān)。目前，3D打印中常采用的材料有 PVC、PBS、ABS等，這些高分子材料融化后的溫度為 100～280,℃。從測溫范圍角度考慮，銅電阻不滿足，而熱電偶測溫范圍大，但考慮到低溫測量時，其測量精度又不夠。因此，選用鉑電阻作為 3D打印機(jī)打印頭的溫度控制傳感器。

2.3 閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)

3D打印機(jī)中的溫度控制系統(tǒng)至關(guān)重要，其不僅能監(jiān)測打印機(jī)的正常工作，更直接關(guān)系到打印結(jié)果和質(zhì)量。打印材料在加熱腔內(nèi)被加熱到熔融狀態(tài)，在打印開始時從打印頭擠出。由于不同材料的熔點(diǎn)不同，因此要設(shè)定不同的溫度。另外，在打印過程中要使打印材料始終處在熔融狀態(tài)，否則會影響打印效果。假如溫度偏高，噴嘴出口會變得粘稠，影響試件效果，甚至導(dǎo)致試件變形；而溫度偏低，則會加快材料凝固，不能和其他材料完好粘結(jié)，甚至造成材料無法噴出，打印不能順利完成。

為此，本研究為打印頭的加熱腔設(shè)計了閉環(huán)的溫度控制系統(tǒng)(見圖 1)，既能實時檢測溫度，又能根據(jù)不同的材料設(shè)定溫度，最重要的是可以實時反饋加熱腔溫度狀況，對溫度進(jìn)行實時把控，保障 3D打印順利完成。

圖1 閉環(huán)溫度控制框圖Fig.1 Block diagram of a closed-loop temperature control system

這個閉環(huán)的溫度控制系統(tǒng)由控制器、驅(qū)動器、加熱器、溫度傳感器、濾波電路、放大電路等組成。首先通過加熱器把打印材料加熱到對應(yīng)的溫度區(qū)間，然后由溫度傳感器獲取加熱腔的溫度，經(jīng)過濾波及放大電路把信號傳輸給控制器，再由控制器做出相應(yīng)判斷，提高或者降低溫度，整體形成一個閉合的回路，保證打印機(jī)溫度滿足要求。

3 3D打印機(jī)的溫控實現(xiàn)

3.1 硬件電路設(shè)計

溫度傳感器采用Pt100鉑電阻，其測量電路選用橋式電路測量。在測量過程中，熱電阻溫度不同阻值就會不同，通過電路計算出熱電阻的阻值，從而得出加熱腔的溫度。由于熱電阻在測量過程中會受到干擾，為了保證測溫系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在測量電橋后增加一個 AD623。這是一個集成單電源儀表放大器，通過電阻對增益進(jìn)行編程，最高增益上千倍，十分靈活。AD623的共模抑制比也是和增益成正比的，對于檢測過程中的噪聲以及信號諧波的屏蔽效果良好。為了保證電壓穩(wěn)定，還選用了LT1634、LT1634CZ-4.096和 LT1634CZ-1.25 等穩(wěn)壓芯片。硬件電路設(shè)計如圖2所示。

在加熱驅(qū)動電路中進(jìn)行光耦隔離，使用TLP_521-1型號的光耦驅(qū)動器把控制器和電加熱隔離開。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要是由光敏三極管、發(fā)光二極管構(gòu)成，當(dāng)發(fā)光二級管發(fā)光時，光敏三極管達(dá)到飽和從而導(dǎo)通，加熱開始。

圖2 溫控系統(tǒng)硬件電路圖Fig.2 Hardware design for the temperature control system

3.2 軟件程序設(shè)計

在程序設(shè)計時，為了保證對閉環(huán)的控制，需要具備溫度采集和模糊 PID控制輸出。溫度采集又包括溫度采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，兩個部分的主要任務(wù)是采集打印頭加熱腔的溫度，把采集到的信號進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)化為處理器能夠識別的數(shù)字信號，方便溫控系統(tǒng)的整體控制，具體流程見圖3。

圖3 溫度控制系統(tǒng)軟件圖Fig.3 Software design of temperature control system

選用單片機(jī)內(nèi)部自帶的 12位 ADC模塊，再根據(jù)實際需要設(shè)置參數(shù)，包括掃描方式、工作模式、對齊方式等。采集到加熱腔的溫度通過ADC得到輸出數(shù)值，再通過計算獲取鉑電阻的電阻值，從而得到溫度值。通過軟件對系統(tǒng)進(jìn)行屏蔽干擾，即采集 8次數(shù)據(jù)，去除最大值和最小值，再對剩余的數(shù)值求平均值，作為最終結(jié)果。

4 結(jié) 語

溫度控制系統(tǒng)是3D打印機(jī)中的重要模塊之一。本文從硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩個方面對溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，設(shè)計了控制精度較高的溫控系統(tǒng)。后續(xù)會對 3D打印機(jī)的其他模塊開展深入研究，設(shè)計性能更高的3D打印機(jī)?！?/p>

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Temperature Control in a 3D Printer

KONG Qingfang
(Tianjin Modern Vocational Technology College，Tianjin 300350，China)

3D printing is a new kind of manufacturing technology originating from rapid prototyping technology and has a wide range of applications．In recent years，the technique has gained a rapid development and there are more and more materials that can be printed．In a 3D printer，the temperature control system is very important as it directly relates to the effect of the printing products．This paper mainly studies the temperature control module in a 3D printer．The design uses a metal platinum thermal resistance as the temperature sensor and adopts a closed-loop temperature control system．In order to guarantee the stability of the system，an integrated single supply instrumentation amplifier AD623 was added to the hardware design．In addition，an interference treatment was added in the software design.

3D printing；temperature control；temperature sensor

S624.4＋4

A

1006-8945(2016)02-0049-03

2016-01-05