3D打印機中的溫度控制研究

孔慶芳

(天津現代職業技術學院 天津300350)

應用技術

3D打印機中的溫度控制研究

孔慶芳

(天津現代職業技術學院 天津300350)

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

3D打印 溫度控制 溫度傳感器

1 3D打印技術概述

1.1 起源

快速成形技術(又稱自由成形技術)出現于20世紀 90年代。不同于傳統的加工技術，該技術無需機床和模具，是以 CAD技術、數控技術和材料技術等為核心的新型制造技術。快速成形技術的問世，既降低了成本，又節約了人力，是制造業一項具有劃時代意義的創新。

經過多年試驗，快速成形技術關鍵設備——快速成形機也已問世，在設計新產品、測試驗證方面得到了很好的應用，但在使用過程中也暴露出一些弊端。例如，受限于機構特點，快速成形機制作的工件多數為樣品，不能實現具體的功能。另外，主要配件如激光器和震蕩鏡成本太高，難以廣泛應用。3D打印技術就是在這種背景下問世的。

1.2 應用

3D打印技術的應用范圍非常廣泛。在房地產業，該技術可以打印內部結構非常精細的沙盤模型。珠寶公司設計的概念性或者私人定制的首飾可以通過 3D打印技術來實現，為個性化路線提供了技術支持。服裝設計中，可以通過 3D打印機直接打印設計的服裝，使服裝更具立體感和整體效果。3D打印技術在醫療領域的應用可以為醫療事業發展做出巨大貢獻，如打印人造器官，解決目前器官短缺的問題。在教育教學中，采用 3D打印技術可以把設計及構思形象化地打印出來，更好地進行研究改進。在影視業中，該技術打印設計的卡通造型及大型模型效果極佳。另外，3D打印技術在食品業中也有應用。

2 3D打印機的溫度控制

2.1 熱傳遞

3D打印機的打印頭在工作中存在熱傳導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，具有良好的粘流動性、適合的絲寬及良好的粘接性能，從而保證試件質量，這就是熱傳導過程。為了使打印過程順利完成，試件符合標準，避免加熱腔溫度過低或過高，需要保持恒溫，而當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。工業溫控系統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,℃。使用熱電阻測溫結構簡單，不需要外加補償電路。兩種熱電阻相比較，銅電阻成本較低、測溫范圍較小；鉑電阻成本較高、測溫范圍較大，在選用時可根據具體溫度綜合考量。

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

3D打印機選取何種溫度傳感器與打印的材料有關。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打印機打印頭的溫度控制傳感器。

2.3 閉環溫度控制系統

3D打印機中的溫度控制系統至關重要，其不僅能監測打印機的正常工作，更直接關系到打印結果和質量。打印材料在加熱腔內被加熱到熔融狀態，在打印開始時從打印頭擠出。由于不同材料的熔點不同，因此要設定不同的溫度。另外，在打印過程中要使打印材料始終處在熔融狀態，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，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計了閉環的溫度控制系統(見圖 1)，既能實時檢測溫度，又能根據不同的材料設定溫度，最重要的是可以實時反饋加熱腔溫度狀況，對溫度進行實時把控，保障 3D打印順利完成。

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

這個閉環的溫度控制系統由控制器、驅動器、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的溫度區間，然后由溫度傳感器獲取加熱腔的溫度，經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，保證打印機溫度滿足要求。

3 3D打印機的溫控實現

3.1 硬件電路設計

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，為了保證測溫系統的穩定性，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。為了保證電壓穩定，還選用了LT1634、LT1634CZ-4.096和 LT1634CZ-1.25 等穩壓芯片。硬件電路設計如圖2所示。

在加熱驅動電路中進行光耦隔離，使用TLP_521-1型號的光耦驅動器把控制器和電加熱隔離開。其內部結構主要是由光敏三極管、發光二極管構成，當發光二級管發光時，光敏三極管達到飽和從而導通，加熱開始。

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

3.2 軟件程序設計

在程序設計時，為了保證對閉環的控制，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據轉換，兩個部分的主要任務是采集打印頭加熱腔的溫度，把采集到的信號進行處理，轉化為處理器能夠識別的數字信號，方便溫控系統的整體控制，具體流程見圖3。

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

選用單片機內部自帶的 12位 ADC模塊，再根據實際需要設置參數，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。通過軟件對系統進行屏蔽干擾，即采集 8次數據，去除最大值和最小值，再對剩余的數值求平均值，作為最終結果。

4 結 語

溫度控制系統是3D打印機中的重要模塊之一。本文從硬件設計和軟件設計兩個方面對溫度控制系統進行研究，設計了控制精度較高的溫控系統。后續會對 3D打印機的其他模塊開展深入研究，設計性能更高的3D打印機。■

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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