3D打印機加熱系統的PID控制

王曉亮

摘 要：近年來，3D打印技術受到了各國各界的廣泛關注。3D打印具有成型速度快、無污染及方便在室內使用等優點，在現代制造業的發展中發揮了巨大的作用。文章通過將3D打印機的加熱系統采用PID控制的方法，可以有效的控制溫度的大幅度變化，從而很大程度提高了打印出的工件質量。

關鍵詞：3D打印；加熱；PID控制

1 3D打印技術的概述

3D打印技術的研究始于20世紀80年代，當時被稱作快速成型技術。世界上最早研究3D打印技術的是美國3D Systems公司，于1986年推出第一臺快速成型機。3D打印系統是以數字化模型文件為基礎，如三維CAD模型，經過分層切片處理后得到一系列的二維截面數據，利用這些數據控制3D打印機的驅動系統來帶動噴頭進行運動，噴出可粘結的材料，經過逐層堆積的方式得到三維目標實體。目前3D打印技術已被廣泛應用到各個領域，如機器人、電子產品、生物醫學、航空航天、建筑行業等。3D打印具有其獨特的制造模式，直接將虛擬的數字化模型轉化為產品，簡化了生產流程，降低了產品的生產成本，縮短了產品的開發周期。

2 熔融式3D打印的工作原理

通過采用不同的材料及成型方式，使3D打印技術在實現方法上不斷創新。3D打印技術主要分為擠出成型、粒狀物料成型、光聚合成型等，根據材料和設備的不同，以上三種類型又分別有多種成型方式。

其中擠出成型是目前最容易實現的一種3D成型手段，主要以熔融沉積成型（FDM）技術實現[1]。熔融式3D打印機通過計算機控制已加熱的噴頭，根據模型設計的單層面數據在X-Y二維平面內運動。噴頭可以將擠絲機傳送過來的絲狀打印材料熔化，然后從噴嘴擠出粘接到工作臺上，在空氣中冷卻后凝固。打印完一層之后，計算機控制噴頭上升一層材料的高度，繼續按下一層面的路徑完成打印并堆積起來，最終實現整個打印件的成型。

由于FDM技術是采用工業級熱塑材料進行成型加工的，與其他類型的3D打印相比，FDM成型的產品具有很好的耐熱性和耐腐蝕性，已在機械零件等產品中得到直接應用。2012年由Stratasys公司研發的超大型快速成型機Fortus 900mc，具有相當高的成型精度、較大的成型尺寸，可以進行產品級零部件的生產[2]。由于FDM實現成本較低，目前市場上銷售的3D打印機還是以FDM型設備為主，小型的FDM設備的價格甚至降到了幾千元。

3 3D打印機的溫度控制系統設計

由于熔融式3D打印機的擠絲頭和熱床都要處于恒溫的狀態，采用加熱電阻對其進行加熱，然后通過熱敏電阻進行溫度的監測。3D打印機采用的微控制器STM32F407擁有12位ADC模塊，可以實時采集CTCI Temp接口的電壓數值，其中接口連接的熱敏電阻通過分壓實現CTCI Temp接口電壓隨溫度變化，且控制器ADC采集到的電壓模擬量與熱敏電阻上的溫度變化之間具有良好的線性關系，具體參數可以通過溫度校對標定出來。微控制器根據采集到的電壓轉換成溫度值，然后將這個溫度值與系統設置的目標溫度進行對比，并進行PID調節，由CTCI Heat引腳輸出信號驅動功率管的導通與斷開，進而控制擠絲機和熱床的加熱電阻是否加熱。微控制器經過PID調控使擠絲機和熱床的溫度浮動保持在一定范圍之內，形成一個閉環的溫控系統。

PID調節控制是根據反饋值與設定值的偏差進行比例（P）、積分（I）、微分（D）運算，經過計算輸出適當控制信號給執行端，促使反饋值逐漸接近設定值，進而實現自動控制[3]。PID控制已廣泛應用于工程控制中，它有簡單、穩定、參數調整方便等優點。PID控制器公式為：

或表示成傳遞函數：

式中KP是比例增益系數，TI是積分時間常數，TD是微分時間常數，u（t）為輸出量，e（t）表示偏差。

PID控制器中通過調節KP，TI，TD三個參數來實現溫度的調節的。e（t）是采集信號與給定參數值的偏差值，通過PID調節使其趨近于0，從而輸出量也逐漸接近給定值，此時三個參數的值為最優。PID運算一般需要建立一個用來保存PID運算所需要的三個參數KP，TI，TD以及設定值、歷史誤差的累加值等信息的結構體數據類型[4]。

PID運算后的返回值來控制定時器，根據定時器的調整控制輸出不同占空比的PWM波，進而控制加熱元件的工作時間，得到幾乎恒定的溫度。

4 PID測試結果分析

經過圖1曲線對比可以看出，在PID調控下的溫度曲線，溫度上升為1分半鐘左右，超調量5%，3分鐘達到穩定的狀態，最終穩定在180℃，且穩態誤差較小。而無PID調控的升溫曲線，可以看出溫度的波動范圍一直在10℃左右，超調量較大，平均溫度也要高出目標溫度5℃左右。

PID調控的溫度明顯要比無PID調控的穩定得多，尤其在擠絲機穩定運行以后，無PID調控的溫度波動范圍在10℃左右，平均溫度也要高出設定溫度5℃左右，而在PID調控下可以使溫度趨近于設置溫度。

由此結果分析可得，3D打印機的加熱系統通過PID調控對溫度能夠實現精確控制，能滿足3D打印耗材對溫度的要求，保證了PLA材料在打印過程中處于最佳的熔融狀態。若無PID調節，擠出頭溫度過大波動，就有可能因為PLA耗材因為溫度過高而碳化，造成噴絲頭堵絲現象，影響打印效果。

參考文獻

[1]殷媛媛.上海軟科學研究基地——上?？茖W技術情報研究所前沿技術發展研究中心.全球3D打印技術發展的新趨勢[N].科技日報，2013-06-02（002）.

[2]王紅霖.3D打印技術制造業發展新趨勢[J].現代工業經濟和信息化，2013，01：24-25.

[3]江曉波.化工乳液溫度控制系統設計[J].電腦知識與技術，2011，3

6：9531-9533.

[4]魏韜.SPCE061A數據采集與控制系統的設計與實現[D].武漢：武漢理工大學，2009.