3D打印中央控制系統(tǒng)綜述

林星翰

(北京工商大學(xué)人工智能學(xué)院，北京 100048)

3D打印就是計(jì)算機(jī)控制可黏合材料連續(xù)一層層鋪設(shè)，該技術(shù)的發(fā)展始于20世紀(jì)80年代，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于許多行業(yè)[1]。3D打印的主要特點(diǎn)是可以制造傳統(tǒng)方法無法制造的復(fù)雜器件或者系統(tǒng)；另一個(gè)特點(diǎn)是不需要機(jī)械加工或模具，利用計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)可以直接生成各種形狀的物體，大大縮短了產(chǎn)品的生產(chǎn)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(chǎn)制造方式，開啟了新一輪世界范圍內(nèi)的制造革命，節(jié)約了企業(yè)的生產(chǎn)成本。它的市場(chǎng)潛力很大，是制造業(yè)重點(diǎn)發(fā)展的一項(xiàng)新興技術(shù)[2]。

3D打印過程就是把設(shè)計(jì)好的3D器件模型用G-Code代碼的形式表現(xiàn)出來，然后將模型的G-Code代碼導(dǎo)入到3D打印機(jī)中打印出實(shí)體。因此，3D打印生產(chǎn)流程可分為3個(gè)步驟，即獲取模型代碼、模型打印和后處理[3]。針對(duì)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(shè)計(jì)；第2種是對(duì)已有的器件實(shí)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(wǎng)絡(luò)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(jìn)行切片參數(shù)設(shè)置，然后切片可獲得導(dǎo)入打印機(jī)的模型G-Code代碼。在3D打印前，需要對(duì)打印機(jī)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，例如打印頭溫度、熱床溫度和打印速度等。后處理則是對(duì)打印完成的模型進(jìn)行去毛刺、打磨以及拋光等處理。

3D打印機(jī)的中央控制系統(tǒng)是其核心部分，也是整個(gè)3D打印機(jī)構(gòu)的指揮中心，通過解析相應(yīng)的指令任務(wù)、接收傳感器信息以及控制機(jī)械結(jié)構(gòu)與步進(jìn)電機(jī)等硬件完成3D工件結(jié)構(gòu)成形[6]。3D打印中央控制系統(tǒng)是上位PC機(jī)與X，Y，Z3個(gè)方向的步進(jìn)電機(jī)、吐絲電機(jī)、溫度傳感器、加熱棒、限位開關(guān)等硬件設(shè)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(jī)發(fā)送的G-Code代碼指令，將指令解析之后，控制打印機(jī)各機(jī)構(gòu)協(xié)同工作，完成打印。3D打印的過程控制對(duì)制造出來的器件質(zhì)量有著非常大的影響，打印過程中對(duì)打印頭的溫度和運(yùn)動(dòng)軌跡等的控制直接決定了器件的質(zhì)量[7-8]。隨著3D打印的廣泛應(yīng)用，在航天領(lǐng)域，人們對(duì)3D打印的各項(xiàng)性能指標(biāo)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(guān)技術(shù)，可進(jìn)一步推動(dòng)整個(gè)3D打印產(chǎn)業(yè)鏈的升級(jí)。

本文將對(duì)3D打印過程中的運(yùn)動(dòng)控制、溫度控制和限位控制以及相應(yīng)控制算法進(jìn)行介紹，對(duì)比各類算法的優(yōu)缺點(diǎn)，并簡(jiǎn)單敘述3D打印在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 3D打印運(yùn)動(dòng)軌跡控制與優(yōu)化

3D打印運(yùn)動(dòng)軌跡控制的運(yùn)動(dòng)執(zhí)行器是步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)在3D打印中是將電信號(hào)脈沖轉(zhuǎn)換為相應(yīng)角位移或者線位移的精密執(zhí)行機(jī)構(gòu)，步進(jìn)電機(jī)基于接收到的脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)按設(shè)定的方向旋轉(zhuǎn)固定角度，在沒有超過電機(jī)負(fù)載能力的前提下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于加載在電機(jī)上脈沖的頻率和脈沖數(shù)，與負(fù)載沒有關(guān)系。現(xiàn)流行的一種3D打印機(jī)是利用上位機(jī)和下位機(jī)(打印機(jī))控制主板相配合來完成運(yùn)動(dòng)控制的，步進(jìn)電機(jī)的脈沖信號(hào)以G-Code指令的形式由上位機(jī)產(chǎn)生，并將產(chǎn)生的信號(hào)傳遞給下位機(jī)，下位機(jī)執(zhí)行G-Code指令，即操縱步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)打印頭移動(dòng)，同時(shí)G-Code指令中有對(duì)打印頭移動(dòng)速度的設(shè)置。

1.1 打印頭運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃

計(jì)算機(jī)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(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制是3D打印過程控制研究的核心技術(shù)。當(dāng)打印頭運(yùn)動(dòng)軌跡合理時(shí)，打印效率和打印質(zhì)量將會(huì)大幅提高。一般情況下，3D打印都是在笛卡爾坐標(biāo)系中對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行規(guī)劃。運(yùn)動(dòng)軌跡多為直線，這是因?yàn)橹本€方便、高效，容易準(zhǔn)確地測(cè)量出由指令控制打印頭移動(dòng)的位移與實(shí)際打印頭移動(dòng)的位移之間的誤差，便于檢測(cè)打印機(jī)構(gòu)的精度以及后續(xù)運(yùn)用算法對(duì)運(yùn)動(dòng)誤差進(jìn)行補(bǔ)償。

張文君等[10]基于笛卡爾坐標(biāo)系下桌面FDM的3D打印機(jī)設(shè)備，對(duì)設(shè)備箱體結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)等進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)控制部分進(jìn)行了合理化改進(jìn)，相關(guān)數(shù)據(jù)表明，改進(jìn)后的設(shè)備能夠很好地保證機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性并提升打印精度。

徐凡等[11]針對(duì)傳統(tǒng)的偏移或縮放的方法生成的多層旋轉(zhuǎn)體存在的一些局限性，設(shè)計(jì)了一種生成任意簡(jiǎn)單多邊形的多層旋轉(zhuǎn)體算法，解決了分層在旋轉(zhuǎn)時(shí)的碰撞問題。這樣設(shè)計(jì)可以使得三維物體在較為壓縮的空間上進(jìn)行打印生產(chǎn)，生產(chǎn)完成后再通過旋轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)來組裝旋轉(zhuǎn)體的各層，對(duì)于使用更多不同的結(jié)構(gòu)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(yùn)動(dòng)控制優(yōu)化方法

3D打印對(duì)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)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(jī)在打印過程中需要打印頭在單位時(shí)間內(nèi)打印出的體積與擠出機(jī)在單位時(shí)間內(nèi)擠出耗材的體積相等，即線寬×層高×打印頭單位時(shí)間移動(dòng)距離=耗材截面積×單位時(shí)間內(nèi)耗材消耗長(zhǎng)度，做到材料進(jìn)給量與打印頭對(duì)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(zhì)量。

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

馬晨曦等[12]針對(duì)傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床在加工折線時(shí)存在的因進(jìn)給系統(tǒng)反復(fù)驟停而影響加工效率的問題，提出了優(yōu)化折線光滑轉(zhuǎn)接加工的控制算法，并針對(duì)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(jìn)算法，從而提高了打印效率和打印質(zhì)量。

蔡銳龍等[14]針對(duì)數(shù)控加工中傳統(tǒng)S型加減速算法在處理加加速度時(shí)出現(xiàn)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(chǔ)上，重構(gòu)了加減速控制模型，將加加速度的變化規(guī)律設(shè)計(jì)為三角形狀連續(xù)變化。然后針對(duì)重構(gòu)的模型，對(duì)算法的求解進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)，采用分類討論和循環(huán)迭代相結(jié)合的方法進(jìn)行算法求解，采用勻速補(bǔ)償法克服不同精度要求下算法耗時(shí)不穩(wěn)定的問題[15]。仿真結(jié)果表明，在滿足數(shù)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求的前提下，提高了數(shù)控加工的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性。

陳志偉等[16]針對(duì)傳統(tǒng)的直線加減速算法和指數(shù)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(yùn)算繁瑣的問題[17]，提出了基于logistic模型實(shí)現(xiàn)的S型加減速算法，減少了運(yùn)算量，同時(shí)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(yùn)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(diào)試更加簡(jiǎn)單。

針對(duì)現(xiàn)有的定細(xì)分?jǐn)?shù)3D打印步進(jìn)電機(jī)控制方法在追求高精度打印的同時(shí)往往會(huì)犧牲打印速度的情況，姚緒梁等[19]提出了一種變細(xì)分?jǐn)?shù)的3D打印步進(jìn)電機(jī)控制方法，即在大距離范圍內(nèi)打印時(shí)采用低細(xì)分?jǐn)?shù)，用于提升打印機(jī)運(yùn)行速度；在小距離范圍內(nèi)采用高細(xì)分?jǐn)?shù)，來保證打印精度。變細(xì)分?jǐn)?shù)控制方法在控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行速度的同時(shí)[20-22]，保證了打印精度，使得打印件的打印質(zhì)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(wù)定義為一個(gè)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(diǎn)，用一種切削仿真方法來評(píng)估扇貝誤差，并確定交叉進(jìn)給方向下一個(gè)刀觸點(diǎn)(cutter contact point,CC)的位置。然后將得到的CC輸入到一個(gè)高效的TSP 求解器LHK中，得到最優(yōu)的CC點(diǎn)連接序列，結(jié)果表明，該方法能夠自動(dòng)找到最優(yōu)進(jìn)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(jī)來打印外殼類型對(duì)象的方法。該方法利用附加的兩個(gè)打印機(jī)自由度來提供彎曲鋪設(shè)路徑規(guī)劃[26]，結(jié)果表明，該策略在很短的時(shí)間內(nèi)提高了打印工件的質(zhì)量。

王騰飛[27]針對(duì)當(dāng)前用于3D打印數(shù)據(jù)處理的分層算法和路徑規(guī)劃算法存在的問題進(jìn)行了細(xì)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(chǔ)上采用等距離輪廓偏置，最后通過實(shí)驗(yàn)證明有效的數(shù)據(jù)處理能夠高效地提高成形件的精度和強(qiáng)度，以及設(shè)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(shè)計(jì)與優(yōu)化直接影響整個(gè)打印的效率與質(zhì)量，優(yōu)化的算法可以提高打印頭運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性以及運(yùn)動(dòng)精度，提高打印效率與打印質(zhì)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)打印頭溫度是否正常，即溫度采集模塊正常工作時(shí)系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)接收打印頭的溫度信息，當(dāng)溫度采集模塊異常時(shí)能夠自動(dòng)提示溫度異常信息，方便故障分析。眾所周知，對(duì)溫度的控制精度能夠直接影響3D打印的效率和質(zhì)量。打印時(shí)耗材在熔融狀態(tài)下通過擠出機(jī)對(duì)耗材的向前傳送，將加熱腔內(nèi)熔融的耗材從打印頭中擠出，因?yàn)椴煌拇蛴『牟娜埸c(diǎn)不同，所以在打印時(shí)需要根據(jù)打印耗材的熔點(diǎn)設(shè)置打印溫度。一般情況下打印溫度都高于耗材的熔點(diǎn)，但是過高的溫度會(huì)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(dǎo)致打印件發(fā)生變形；然而當(dāng)溫度偏低時(shí)，則會(huì)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(shí)耗材便凝固，不能和之前的打印材料很好的粘結(jié)，導(dǎo)致耗材在堆積粘黏時(shí)易出現(xiàn)裂紋和粘黏不牢的現(xiàn)象，溫度過低時(shí)甚至?xí)?dǎo)致打印耗材無法從打印頭中噴出，出現(xiàn)打印不能順利完成的情況。因此，打印系統(tǒng)對(duì)溫度控制的好壞決定著打印能否順利進(jìn)行并直接影響打印效率和打印質(zhì)量。

Yang等[28]設(shè)計(jì)了一種采用FPGA(field programmable gate array, 現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)控制的恒溫系統(tǒng)。打印3D模型時(shí)，環(huán)境溫度會(huì)隨著時(shí)間的推移而升高，因此控制環(huán)境溫度很重要。用戶設(shè)定溫度范圍后，恒溫系統(tǒng)根據(jù)感知到的環(huán)境溫度，控制風(fēng)扇打開或關(guān)閉。當(dāng)FPGA接收到運(yùn)行中的風(fēng)扇發(fā)出的信號(hào)時(shí)，F(xiàn)PGA可以計(jì)算出風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，以此來降低耗材的消耗。

Lin等[29]以PID算法為主要研究對(duì)象，結(jié)合模糊理論設(shè)計(jì)了一種基于模糊推理的自適應(yīng)PID控制算法，同時(shí)設(shè)計(jì)了恒溫箱的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分和測(cè)量控制部分的軟硬件。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，恒溫箱內(nèi)溫度的控制穩(wěn)定性小于0.05 ℃，證明所使用的模糊自適應(yīng)PID控制算法和設(shè)計(jì)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(cè)和控制集成系統(tǒng)，用于降低制造產(chǎn)品的熱降解風(fēng)險(xiǎn)，防止打印失敗、噴嘴堵塞。在監(jiān)測(cè)程序中，采用兩級(jí)滑動(dòng)窗策略的時(shí)間神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)準(zhǔn)確地提供了噴嘴尖端的熱值的預(yù)測(cè)值，這些估計(jì)的熱值被用來作為控制系統(tǒng)的刺激[31]，根據(jù)熱值的預(yù)測(cè)值控制系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)的操作以防止整個(gè)設(shè)備發(fā)生異常。

Lee等[32]研究了單區(qū)空間室內(nèi)空氣溫度的控制。首先，建立了太陽能LHTS新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的溫控?cái)?shù)學(xué)模型；然后，針對(duì)變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)非線性、擾動(dòng)大、不確定性大的特點(diǎn)，提出了一種模糊PID控制方法，并將其應(yīng)用于室內(nèi)溫度控制。在模糊控制的幫助下，PID的參數(shù)可以在線調(diào)節(jié)。結(jié)果表明，模糊PID控制同時(shí)具有模糊控制和PID控制的優(yōu)點(diǎn)，能夠以簡(jiǎn)單的步驟提高復(fù)雜控制系統(tǒng)的控制效果。

從上述多個(gè)文獻(xiàn)可知，當(dāng)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(jìn)算法。

3 其他功能

隨著3D打印快速發(fā)展，市場(chǎng)和消費(fèi)者提出了更為高級(jí)的功能需求，促使從事3D打印研究的相關(guān)科研人員、技術(shù)人員以及愛好者對(duì)3D打印機(jī)的結(jié)構(gòu)及功能進(jìn)行了很大的改進(jìn)和完善。相應(yīng)的限位控制和自動(dòng)調(diào)平等功能也不斷被優(yōu)化和更新，3D打印機(jī)的功能越來越豐富多樣，使得3D打印技術(shù)越來越成熟。

3.1 限位控制

在3D打印機(jī)中，使用限位控制是保護(hù)打印機(jī)安全的重要措施。限位控制能防止移動(dòng)機(jī)構(gòu)與邊框碰撞而造成機(jī)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(jī)多是利用限位開關(guān)，當(dāng)打印移動(dòng)機(jī)構(gòu)碰撞上機(jī)械限位開關(guān)或者遮擋住光電限位開關(guān)時(shí)，規(guī)定此時(shí)打印機(jī)的位置為相應(yīng)軸的零點(diǎn)，結(jié)合程序或者軟件中對(duì)該軸的行程距離設(shè)定，限制打印機(jī)移動(dòng)機(jī)構(gòu)的行程。當(dāng)移動(dòng)機(jī)構(gòu)觸發(fā)限位時(shí)，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，系統(tǒng)根據(jù)基準(zhǔn)點(diǎn)主動(dòng)計(jì)算需要多少個(gè)脈沖數(shù)能夠達(dá)到程序或者軟件所規(guī)定行程，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)時(shí)，移動(dòng)機(jī)構(gòu)所處的位置即為最大行程處。

郝亞沖等[33]設(shè)計(jì)了一種結(jié)合CPLD的3D打印機(jī)的嵌入式系統(tǒng)，用該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了模擬信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理以及信號(hào)控制等功能。重點(diǎn)研究了該系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，采用兩相混合式步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)器A4988實(shí)現(xiàn)步進(jìn)細(xì)分驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)了步進(jìn)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路；采用TCRT5000光電傳感器精確控制X、Y、Z軸行程，設(shè)計(jì)了限位開關(guān)電路，解決了打印精度和速度等根本性問題。

3.2 自動(dòng)調(diào)平

隨著3D打印技術(shù)的不斷進(jìn)步，市場(chǎng)和消費(fèi)者對(duì)3D打印件打印精度和打印質(zhì)量的要求也日漸增高。目前打印件的承接平臺(tái)也就是熱床的調(diào)平大多還是人工進(jìn)行手動(dòng)調(diào)平，這種調(diào)平方式繁瑣且精度低，如果熱床不平則會(huì)引起打印件的底面呈現(xiàn)傾斜狀態(tài)甚至打印失敗。針對(duì)調(diào)平問題，相關(guān)學(xué)者設(shè)計(jì)出了自動(dòng)調(diào)平功能，首先在打印頭上安裝自動(dòng)調(diào)平模塊的觸頭，觸頭跟隨打印頭移動(dòng)；然后用觸頭接觸熱床上不同位置的點(diǎn)，控制系統(tǒng)自動(dòng)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(jìn)行首層打印時(shí)，系統(tǒng)通過控制面板根據(jù)之前記錄的各個(gè)點(diǎn)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(jìn)行首層的補(bǔ)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(shí)打印頭距離打印完的首層平面各個(gè)位置的距離就一致了。總之，對(duì)于熱床不處于水平面的情況，通過補(bǔ)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(duì)小型平臺(tái)進(jìn)行了自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)的研究，結(jié)合實(shí)際要求，通過比較多種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一款以ATmega162單片機(jī)為中控核心的小型平臺(tái)機(jī)電式自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了小型平臺(tái)的快速、穩(wěn)定、高精度自動(dòng)調(diào)平[35]，解決了長(zhǎng)期以來人工手動(dòng)調(diào)節(jié)小型平臺(tái)所帶來的費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、調(diào)節(jié)精度低等缺點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)表明，調(diào)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(dòng)到熱床穩(wěn)定處于水平狀態(tài)，調(diào)平時(shí)間小于2 min，無論調(diào)平時(shí)間還是調(diào)平精度都很理想。

3.3 力控制

由于市場(chǎng)對(duì)3D打印技術(shù)的要求不斷提高，因此某些3D打印應(yīng)用場(chǎng)景中還需要實(shí)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(píng)估傳感器設(shè)計(jì)的可行性，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證SLA和FDM的3D打印分辨率，實(shí)現(xiàn)了較高的傳感器柔韌性。應(yīng)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(shè)計(jì)基于ISO 14577標(biāo)準(zhǔn)，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(duì)PDMS樣品進(jìn)行了兩次概念驗(yàn)證演示[37]，兩種力傳感器測(cè)得的PDMS樣品的楊氏模量值較為一致。該結(jié)果也與之前報(bào)道的數(shù)據(jù)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(shè)計(jì)與標(biāo)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(shù)——熔融沉積法(FDM)和立體光刻技術(shù)(SLA)，構(gòu)建了特征尺寸小于0.3 mm的聚合力傳感器結(jié)構(gòu)[39]。兩個(gè)3D打印的應(yīng)變式力傳感器覆蓋不同的力測(cè)量范圍，分別為4.3 μN(yùn)和56 μN(yùn)。文獻(xiàn)[39]介紹的實(shí)驗(yàn)技術(shù)能使用入門級(jí)3D打印機(jī)實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)要求。

上述的限位控制、自動(dòng)調(diào)平以及力控制主要是根據(jù)3D打印機(jī)機(jī)構(gòu)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(jù)不同的3D打印材料或者需求增加對(duì)應(yīng)的功能。

4 應(yīng)用領(lǐng)域及問題

隨著科技的不斷發(fā)展，3D打印技術(shù)逐漸變?yōu)橐环N新興的制造技術(shù)。在航空領(lǐng)域中，3D打印正在進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)階段，例如奧地利Lithoz公司利用LCM技術(shù)打印出了用來生產(chǎn)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(shù)門檻很高，對(duì)溫度控制精度、材料純凈程度等都有嚴(yán)格要求，歐美發(fā)達(dá)國(guó)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(diǎn)就會(huì)有缺陷。和傳統(tǒng)加工方式相比，3D打印材料的強(qiáng)度、剛度、機(jī)械加工性能等仍不夠理想，即3D打印產(chǎn)品質(zhì)量方面的問題還有很多，需要一一解決。

2014年12月，美國(guó)研制的微重力3D打印機(jī)在國(guó)際空間站打印出套筒扳手[40]，3D打印機(jī)未來有望用于制造國(guó)際空間站30%以上的備用部件。藍(lán)色起源公司和美國(guó)太空探索技術(shù)公司都利用3D打印技術(shù)為其運(yùn)載火箭建造了一些部件和工具，例如渦輪泵。2015年4月，中國(guó)航天科工集團(tuán)第六研究院41所應(yīng)用3D打印技術(shù)制作的某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火裝置成功通過發(fā)動(dòng)機(jī)地面試車考核。2016年初我國(guó)的某3D打印制造技術(shù)項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)首次3D打印技術(shù)在轉(zhuǎn)子類零件上的應(yīng)用，顯著提升了發(fā)動(dòng)機(jī)綜合性能。然而，限制3D打印技術(shù)在航天領(lǐng)域應(yīng)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(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究階段。

3D打印技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用，例如制備特定患者的解剖模型、解剖學(xué)操縱輔助工具，制備個(gè)性化的特異性植入物(如骨骼、韌帶和其他結(jié)構(gòu))。如果在植入物上加載活性物質(zhì)，能發(fā)揮更大的作用。目前限制3D打印技術(shù)進(jìn)一步在醫(yī)學(xué)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(nèi)的環(huán)境是復(fù)雜多變的，人體中的許多反應(yīng)機(jī)制目前還不明確，打印材料在人體內(nèi)并不能隨著體內(nèi)環(huán)境的變化而進(jìn)行相關(guān)的適應(yīng)性調(diào)整，因此無法達(dá)到理想的治療效果。

總之，3D打印技術(shù)可以應(yīng)用的領(lǐng)域很多。無論是在各大新聞中出現(xiàn)的各領(lǐng)域的3D打印尖端技術(shù)成果，還是在各大儀器展覽會(huì)上越來越多的3D打印產(chǎn)品或樣機(jī)，都可以證明3D打印技術(shù)正被各國(guó)高度，重視并且該技術(shù)也在不斷高速發(fā)展與創(chuàng)新。

5 結(jié)束語

目前，3D打印技術(shù)仍處于技術(shù)發(fā)展階段，也正是因?yàn)槭艿郊夹g(shù)的限制，3D打印對(duì)新商業(yè)模式的參與仍較少。我國(guó)高度重視增材制造產(chǎn)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(shù)在航空航天及醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用前景非常廣闊，市場(chǎng)對(duì)制造提出的各種特殊需求對(duì)3D打印技術(shù)起著不斷推動(dòng)的作用，因此3D打印技術(shù)打印出的航空航天和醫(yī)療產(chǎn)品的市場(chǎng)價(jià)格將會(huì)逐步降低。相信在不遠(yuǎn)的將來，3D打印技術(shù)在航空航天以及醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用會(huì)越來越廣泛，甚至促使大規(guī)模廉價(jià)航天器時(shí)代的快速到來。