基于CCD 傳感器的3D 打印進(jìn)給誤差補(bǔ)償系統(tǒng)

郭根清，王克用，李培超

（201620 上海市 上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院）

0 引言

3D 打印又稱增材制造技術(shù)，是一項(xiàng)新型制造技術(shù)，起源于20 世紀(jì)80 年代后期的美國[1-2]。根據(jù)2020 年麥肯錫報(bào)告，3D 打印具有巨大的經(jīng)濟(jì)潛在價(jià)值[3]。熔融沉積（FDM）作為應(yīng)用最廣泛的3D 打印技術(shù)[4]，其工作原理是將熱塑性材料（如PLA 和ABS 等）加熱熔化，逐層堆積形成實(shí)體模型。熔融沉積技術(shù)具有諸多的優(yōu)點(diǎn)，如成本低、材料易得、工況穩(wěn)定和便捷性等[5]。

熔融沉積（FDM）3D 打印技術(shù)使用的材料是熱塑性材料，如PLA、ABS、PETG、TPU 以及尼龍等[6-7]。這些材料都具有固定的熔點(diǎn)和良好的延展性，在工業(yè)制備時(shí)，都是顆粒狀的母料，并不能直接在一般的3D 打印設(shè)備上使用，需要經(jīng)過熔融成型，從顆粒狀制備成等直徑的絲狀卷料。目前，關(guān)于制備的耗材直徑標(biāo)準(zhǔn)主要有1.75 mm 和2.85 mm（通常稱為3 mm），前者具有良好的擠出一致性和更好的打印效果，因此使用更為廣泛[8-9]。然而，在制備過程中，由于制作工藝和機(jī)器的特性，制作的絲狀耗材并不總是能保證等直徑，會(huì)有一定的偏差和浮動(dòng)，工業(yè)上稱為公差[10]。通常，在整個(gè)行業(yè)中耗材標(biāo)準(zhǔn)公差為±0.05 mm，將產(chǎn)品控制在這個(gè)范圍之內(nèi)并保證打印耗材尺寸的一致性，是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的工作[11]。這對(duì)于整個(gè)熔融沉積3D 打印技術(shù)有著至關(guān)重要的作用，對(duì)提高打印質(zhì)量是十分必要的。

在目前的打印耗材市場(chǎng)中，制造商和研究者不斷調(diào)整制造工藝和使用新的技術(shù)，讓耗材的實(shí)際尺寸與理論尺寸保持一致，但是耗材的制造依舊被工藝和材料參數(shù)所限制[12]。不同制造商和不同批次的耗材都會(huì)造成不同的打印結(jié)果[13]。當(dāng)進(jìn)行打印時(shí)，打印軟件是根據(jù)耗材的直徑、噴嘴直徑和擠出速度來計(jì)算擠出量。如果耗材的直徑大于或小于理論值時(shí)，實(shí)際的擠出量會(huì)發(fā)生變化，但整個(gè)打印過程不會(huì)進(jìn)行調(diào)整，而是持續(xù)打印直至打印結(jié)束，直接影響打印質(zhì)量。

現(xiàn)有研究多針對(duì)耗材制造端，如吳大鳴等[14]研究耗材擠出成型精密度的影響因素，包括材料特性、生產(chǎn)工藝及設(shè)備；Petsiuk 等[15]從制造端入手設(shè)計(jì)耗材直徑檢測(cè)設(shè)備，降低制造成本。本文從用戶端著手，利用CCD 光電傳感器，設(shè)計(jì)耗材直徑檢測(cè)裝置，對(duì)耗材進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，將測(cè)量的數(shù)據(jù)反饋給打印設(shè)備，打印設(shè)備動(dòng)態(tài)調(diào)整擠出速率來控制進(jìn)給量，保證進(jìn)給量的準(zhǔn)確性，既降低了成本，又在一定程度上提升打印件的質(zhì)量。

1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 理論分析

對(duì)于熔融沉積3D 打印機(jī)而言，打印質(zhì)量不僅取決于機(jī)械結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)，打印耗材也是一個(gè)至關(guān)重要的因素[16]。制作出一個(gè)好的打印產(chǎn)品，耗材的幾何精度是衡量的標(biāo)準(zhǔn)之一[17]。在實(shí)際打印過程中，打印機(jī)并不能感知耗材的尺寸變化，這意味著實(shí)際的進(jìn)給量是動(dòng)態(tài)變化的，擠出機(jī)靜態(tài)校準(zhǔn)也將變得毫無意義[18]。當(dāng)打印耗材的幾何尺寸（直徑）發(fā)生變化時(shí)，打印件的表面會(huì)受到影響，擠出機(jī)可能發(fā)生堵塞，從而導(dǎo)致打印失敗。

當(dāng)打印機(jī)工作時(shí)，對(duì)目標(biāo)模型進(jìn)行切片處理，設(shè)置耗材的直徑為定值（1.75 mm），理論的擠出體積將會(huì)按照設(shè)置的值進(jìn)行換算。式為

式中：Q1——擠出的體積流量；Q2——進(jìn)給的體積流量；Q——擠出和進(jìn)給體積流量的差值；W——擠出層寬度；T——擠出層高度；l——擠出路徑長度；v——進(jìn)給速度；A——耗材的截面面積；D——耗材的幾何直徑。

在實(shí)際的生產(chǎn)中，絲狀耗材總會(huì)存在一個(gè)公差，如圖1（a）所示，D是生產(chǎn)耗材的目標(biāo)值，ΔD是材料制造商的制造公差，一般在0.05 mm 以內(nèi)。當(dāng)進(jìn)行打印生產(chǎn)時(shí)，如圖1（b）所示，耗材融化送進(jìn)，然后通過噴嘴擠出（T為設(shè)置的打印層高，W是打印軌跡寬度（一般是噴嘴直徑），ΔW是打印軌跡寬度的誤差值），打印層高和打印軌跡寬度是一般不會(huì)發(fā)生變化的固定值，但耗材的直徑D會(huì)發(fā)生變化，直接影響整個(gè)打印件的質(zhì)量。

圖1 截面圖Fig.1 Section

1.2 耗材檢測(cè)傳感器

耗材通過擠出機(jī)接觸式送進(jìn)，對(duì)耗材進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量的前提是保證打印過程不受影響，因此選擇測(cè)量工具十分重要。一般的測(cè)量工具有接觸式（如游標(biāo)卡尺）和非接觸式（如光學(xué)模塊）。為不影響打印進(jìn)程，本文選擇CCD 光電傳感器作為主要測(cè)量模塊，利用邊緣檢測(cè)的方式測(cè)量耗材的直徑。

圖2（a）是利用CCD 光電傳感器TSL1401 制作的耗材直徑測(cè)量模塊，整個(gè)模塊主要由微控制器（MC9S08SG8）、CCD 模塊（TSL1401）、光源、按鈕和電阻電容等電器元件組成。工作示意圖如圖2（b）所示，當(dāng)通電時(shí)，點(diǎn)亮LED 燈，此時(shí)耗材穿過整個(gè)裝置，正好在CCD 模塊的正上方，耗材遮擋的光的寬度通過電壓的形式表現(xiàn)出來正好是耗材的直徑寬度，微控制器通過串口將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給打印設(shè)備，打印設(shè)備將反饋數(shù)據(jù)和預(yù)設(shè)值對(duì)比，進(jìn)一步調(diào)整擠出機(jī)構(gòu)對(duì)耗材的送進(jìn)速度，完成整個(gè)系統(tǒng)的補(bǔ)償反饋。

圖2 測(cè)量模塊Fig.2 Measuring module

1.3 實(shí)驗(yàn)與模型

為驗(yàn)證檢測(cè)裝置的有效性，搭建如圖3 所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，包含打印平臺(tái)、熱端、顯示屏、耗材檢測(cè)傳感器和打印耗材。打印平臺(tái)尺寸為223 mm×223 mm×300 mm，耗材送進(jìn)采用近程，避免打印過程中耗材長距離傳輸導(dǎo)致的進(jìn)給誤差。同時(shí)擠出電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制采用閉環(huán)控制，防止進(jìn)給過程中電機(jī)丟步造成的誤差，也保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

圖3 3D 打印實(shí)驗(yàn)設(shè)備Fig.3 3D printing experimental equipment

實(shí)驗(yàn)選用3 種品牌的PLA 打印耗材，分別為A1、A2 和A3，公差分別為±0.02、±0.03、±0.02 mm。圖4 為測(cè)試模型，整個(gè)模型為單邊圓環(huán)，高度10 mm，直徑60 mm，壁厚0.4 mm（同打印機(jī)噴嘴的直徑），打印1 層即為1 圈。整個(gè)打印過程的噴嘴直徑為0.4 mm，層高為0.15 mm，打印速度設(shè)置為40 mm/s，打印溫度210 ℃，熱床溫度60 ℃，保證耗材熔融擠出并粘貼牢固。

圖4 測(cè)試模型Fig.4 Test model

2 結(jié)果與討論

2.1 測(cè)量結(jié)果分析

目前，盡管耗材廠商不斷完善制造工藝，提高產(chǎn)品精度，但依然存在缺陷，尤其是在批量生產(chǎn)情況下，生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)一般按規(guī)定的最低標(biāo)準(zhǔn)；即使標(biāo)明精度，但并不一定能夠確保是實(shí)際的產(chǎn)品精度。如果耗材的精度不夠，實(shí)際打印時(shí)會(huì)造成一系列問題，如噴頭堵塞、擠出機(jī)磨損和打印件缺陷等。為了檢查不同廠家的耗材直徑并驗(yàn)證檢測(cè)裝置的有效性，3 個(gè)廠家的產(chǎn)品各抽取0.5 m 的長度，利用分辨率為0.01 mm 的傳感器進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量結(jié)果如圖5 所示，選擇的測(cè)量產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)直徑為1.75 mm。

圖5 3 個(gè)耗材廠商產(chǎn)品的直徑波動(dòng)圖Fig.5 Diameter variation for three different filament manufacturers

由圖5 可知，3 個(gè)產(chǎn)品的實(shí)際公差遠(yuǎn)大于其說明的公差，有的超過了行業(yè)最低標(biāo)準(zhǔn)，其中耗材A1 和A3 波動(dòng)幅度較大，耗材A2 整體較為穩(wěn)定。分析表1 的數(shù)據(jù)，盡管產(chǎn)品的最大和最小值超過了標(biāo)定的公差帶，最大值達(dá)到了0.06 mm，最小值達(dá)到了0.10 mm，但平均值還是穩(wěn)定在了產(chǎn)品說明的公差范圍之內(nèi)。在實(shí)際打印中，耗材的使用是隨機(jī)的，盡管耗材直徑的平均值在說明的范圍之內(nèi)，但對(duì)打印產(chǎn)品卻有極大的影響。

2.2 打印結(jié)果分析

分別使用3 種耗材打印單邊圓環(huán)，打印的實(shí)體模型如圖6 所示，可見打印件表面都存在缺陷，如孔洞、斑點(diǎn)，這是耗材直徑不一致引起的。耗材直徑過大打印件表面會(huì)出現(xiàn)斑點(diǎn)，過小則出現(xiàn)孔洞，打印結(jié)果與圖5 的實(shí)際測(cè)量趨勢(shì)吻合。

選擇尺寸波動(dòng)較為穩(wěn)定的耗材（A2）對(duì)設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試的結(jié)果如圖7 所示。分別開啟和關(guān)閉檢測(cè)裝置，打印測(cè)試模型，打印參數(shù)和環(huán)境一致，保證不受其他因素干擾。由圖7 可見，開啟檢測(cè)裝置時(shí)，打印模型的表面質(zhì)量更加平滑，沒有明顯的打印缺陷（孔洞和斑點(diǎn)）；關(guān)閉檢測(cè)裝置時(shí)，整個(gè)模型隨機(jī)出現(xiàn)明顯的打印缺陷，影響了打印件的整體質(zhì)量。打印結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的檢測(cè)裝置在整個(gè)打印過程發(fā)揮了作用，明顯改善了打印件的質(zhì)量。

圖7 打印件Fig.7 Printed parts

3 結(jié)論

本文研究了打印耗材直徑對(duì)打印質(zhì)量的影響，結(jié)論如下：

（1）基于CCD 光電傳感器設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)時(shí)反饋系統(tǒng)，通過測(cè)量打印耗材的直徑來預(yù)估實(shí)際耗材的進(jìn)給量，與理論值對(duì)比，形成閉環(huán)反饋，對(duì)整個(gè)打印過程實(shí)時(shí)控制，從用戶端減少打印耗材直徑對(duì)打印質(zhì)量的影響；

（2）經(jīng)過實(shí)驗(yàn)論證，使用該反饋系統(tǒng)進(jìn)行打印，打印件的表面質(zhì)量得到了明顯的改善，小成本獲得較好的效果。同時(shí)，設(shè)計(jì)的檢測(cè)裝置可以很好地兼容開源Marlin 固件，不干擾打印機(jī)的正常運(yùn)行，成本較低；

（3）目前該裝置存在打印速度受限問題，即當(dāng)打印速度過快時(shí)，系統(tǒng)的采樣頻率跟不上，后期需繼續(xù)優(yōu)化。