智能傳感器在鑄造3D打印中的應用研究

趙寧輝，劉 軼

（共享智能鑄造產業創新中心有限公司，銀川 750021）

0 引言

3DP技術作為一種重要的3D打印技術[1]，其原理是通過微滴噴頭將液體粘接劑（如硅膠、樹脂等）按照零件的二維截面圖形“印刷”在材料粉末表面上，通過逐層疊加，得到最終完整的零件產品。在鑄造領域，3DP技術主要應用在砂芯的快速成型制造方面，它與傳統的鑄造工藝相結合，創造出了全新的鑄造生產模式，顛覆了鑄造行業的生產方式。在多品種、小批量、工藝復雜的鑄件生產方面，與傳統的砂芯生產工藝相比，3DP技術的優越性無與倫比。

1 智能傳感器概念、組成及功能

1.1 智能傳感器的概念及組成

智能傳感器[2]的概念最初由美國宇航局在研發宇宙飛船過程中提出并形成，1978年研發出產品。由于宇宙飛船上需要用大量的傳感器不斷向地面發送溫度、位置、速度和姿態等數據信息，用一臺大型計算機很難同時處理如此龐雜的數據，于是提出了CPU分散化，從而產生出智能傳感器。

智能傳感器技術是一門正在蓬勃發展的現代傳感器技術，涉及了微機械與微電子技術、計算機技術、信號處理技術、電路與系統、傳感技術、神經網絡技術及模糊控制理論等學科，是一種多學科的綜合性技術[3]。

智能傳感器采用超大規模集成電路，集成了傳感器、智能儀表全部功能及部分控制功能，利用嵌入式軟件協調內部操作，在完成輸入信號的非線性補償、零點錯誤、溫度補償、故障診斷等基礎上，還可完成對工業過程的控制，使控制系統的功能進一步分散，降低了系統的復雜性，簡化了系統結構。智能傳感器一般由基本傳感器和信息處理單元組成[4]，如圖1所示，二者通常集成在一起封裝為一個整體，根據應用領域的不同也可以分開設置?？梢詫鞲衅鞯臏y量數據進行計算、存儲、數據處理，同時，還可以通過反饋回路對傳感器進行調節。概括來說，智能傳感器具備學習、推理、感知、通訊，以及管理等功能。在這兩大組成部分當中，基本傳感器是基礎，信息處理單元是核心。基本傳感器的性能很大程度上決定著智能傳感器的性能，隨著微機械加工工藝的逐步成熟以及微處理器的補償作用，基本傳感器的某些缺陷得到較大程度的改善；信息處理單元以微處理器為核心，微處理器充分發揮了各種軟件(如功能模塊）的功能，可以完成硬件難以完成的任務，能夠接收基本傳感器的電信號，并對該信號進行處理運算，如數字濾波、線性補償、標度變換、零點標定等，從而大大降低了傳感器制造的難度，提高了傳感器的性能，降低了傳感器的成本。

圖1 智能傳感器的組成

1.2 智能傳感器的功能

智能傳感器的功能[5]是通過比較人的感官和大腦的協調動作提出的，具有視覺、觸覺、聽覺、味覺以及儲存、思維和邏輯判斷能力等人工智能。主要功能有以下幾點。

（1）自補償和計算

智能傳感器的自補償和計算功能有效有效彌補了傳感器的溫度飄移和非線性，即使傳感器的加工不太精密，只要能保證其重復性良好，通過傳感器的計算功能也能獲得較精確的測量結果，另外還可進行統計處理、能夠重新標定某個敏感元件，使它重新有效。

（2）自診斷功能

智能傳感器通過微處理器能夠實現自診斷功能，包括兩個方面：①外部環境引起的工作不可靠；②傳感器內部故障造成的性能下降。其直觀的指示方式，可持續顯示診斷結果和工作狀態。無論內外因素，診斷信息都能使系統在故障出現之前報警，從而減少系統停機時間，提高生產效率。

（3）強大的通訊接口功能

智能傳感器輸出的數據通過總線傳輸，能夠與其他數字化控制儀表或上位機直接通訊，使智能傳感器可作為集散控制系統的組成單元，并受上位機的控制。

（4）現場學習功能

智能傳感器具有自適應、自學習功能，能為各種場合快速而方便地設置最佳靈敏度。例如：對于智能型的光電傳感器能對檢測過程取樣，自動計算出光信號閾值，匹配最佳設置，并且能在工作過程中自動調整其參數設置，以補償環境條件的變化。通過自學習的功能可以補償部件老化造成的參數漂移，延長器件或裝置的使用壽命和擴大其應用范圍。

（5）提供模擬和數字輸出

智能傳感器能夠提供模擬輸出、數字輸出或同時提供兩種輸出信號，各自具有獨立的檢測通道，二者互不影響。

（6）數據處理功能

根據內部的程序自動處理數據，例如：進行統計處理、剔出異常數據等。

（7）掉電保護功能

由于微型計算機的RAM的內部數據在掉電時會自動消失，這給儀器的使用帶來很大的不便。為此在智能傳感器內部裝有備用電源，當系統掉電時，能自動把后備電源接入RAM，以保證數據不丟失。

2 智能傳感器在鑄造3D打印設備中的應用

2.1 鑄造3D打印機的結構及原理

鑄造3D打印機[6]主要應用3DP技術，其關鍵結構包括：打印頭、鋪砂器、工作箱、驅動輥道、升降機構、混砂系統、液料系統、清掃機構等單元。工作過程如下：首先，通過切片軟件對零件的三維模型進行切片，轉換成二維圖像，導入計算機系統進行圖像解析，為打印做好準備；然后，由混砂系統將砂子與粘結劑按比例混合攪拌均勻，并填充到鋪砂器當中，鋪砂器在Y方向做往復運動，在運動過程中，通過震動將砂子均勻的鋪設在工作箱底板上，每鋪好一層砂子，工作箱底板下降一定的高度，同時，打印頭沿X方向運動，并根據解析的每一層圖形數據進行選擇性的噴墨，從而在砂面上打印出與零件截面一致的圖案，經過鋪砂器與打印頭的往復交替工作，最終在工作箱內部打印出完整的砂芯產品。

2.2 智能傳感器在鑄造3D打印機中的應用

2.2.1 打印室的環境溫濕度檢測

鑄造3D打印機所使用的原材料為砂子和粘結劑，由于原材料的物化特性，對溫濕度的波動比較敏感，使得打印機對打印環境的溫濕度要求較為苛刻，通常來說打印機在打印過程中需要做到恒溫恒濕，傳統的措施是采用溫濕度傳感器采集打印室內部的溫濕度，通過上位機開發相應的算法程序來控制空調、加濕器等裝置，以實現溫濕度的調節。但以上措施在實際使用當中，調節效果并不是很好，主要是因為沒有相應的大量數據分析，無法找到較為合適的控制參數。而智能型的溫濕度傳感器，其自身不僅能夠采集溫濕度的數據，還可以對采集的數據進行分析、歸檔，并根據數據分析的結果，通過內部集成算法直接輸出調節結果，來調節空調、加濕器等裝置，利用傳感器自學習的功能，分析找出適合砂型打印的最佳溫度范圍，然后自動匹配相關參數，同時，上位機無需單獨開發溫控調節算法，控制程序得到了簡化。

2.2.2 打印頭噴墨質量監控

噴頭作為鑄造3D打印機的核心元件，成本高，但使用壽命卻較短，嚴重增加后期維護保養的成本。通常情況下，造成打印頭報廢的原因都是噴孔堵塞，引起局部或大范圍的丟幀，一般采用丟幀率來判斷噴頭是否已經報廢，但這一指標通過傳統傳感器無法進行檢測，只能通過打印測試頁來人為判斷丟幀率。將智能傳感器集成在噴頭內部，對噴頭的激勵電壓、墨滴墨量、噴孔噴墨質量等參數進行實時監控，并根據監控數據及噴墨情況自動調節噴墨電壓，來控制墨滴形狀、噴墨量、墨滴噴射速度等參數[7]，從而改善并提高打印質量，且當出現噴孔堵塞的情況時能夠及時提醒處理及維護，有效提高了噴頭的使用壽命，降低維護成本。

2.2.3 砂面劃痕檢測

鋪砂器在鋪設砂面的過程中，由于砂子中存在一些雜質或刮砂板發生形變，都會造成砂面拉砂，在砂面留下劃痕，嚴重影響成型質量及精度。采用智能型測距傳感器，可以有效解決以上問題，具體措施是在打印頭上安裝微距離傳感器，當鋪砂器鋪完砂子，打印頭掃描的同時，對砂面進行劃痕檢測，一旦出現劃痕，可立即讓系統做出處理措施，并對采集到的數據做統計分析，便于找出砂面產生劃痕的原因，有助于提高產品打印的質量。

2.2.4 稱重計量

打印機在打印過程中，混砂是必不可少的一個環節，混砂質量的好壞直接決定了砂芯的硬化速度、強度等參數。因此，要求混砂系統必須具有高精度、高可靠性、高穩定性。混砂系統通常采用多傳感器稱重的方式對砂子進行計量，傳統稱重傳感器由于存在數據采集的延時性，以及下砂碟閥動作響應的延時，往往造成實際下砂量偏大，使得砂子與粘結劑的配比不再準確，嚴重更影響打印砂芯的質量。使用智能稱重傳感器[8]，其內部電路結構如圖2所示，由于其具有自診斷、自學習的特點，可根據測量的數據實時調節系統的下砂量，并能夠通過數據統計，自動匹配出最佳的PID參數，從而有效解決稱重不準的問題，節約成本的同時提高了砂芯質量。

圖2 智能型稱重傳感器內部電路結構

3 結束語

3D打印技術與傳統鑄造工藝相結合，是一種革命性的創新與嘗試，讓傳統鑄造業這種落后產能逐漸轉變為高新技術產業，對行業的意義十分重大。而基于微電子技術發展起來的智能傳感器技術，同樣，給當今信息化時代，注入了新的動能，讓5G網絡、物聯網、云技術等新興技術找到了有力支撐點。將智能傳感器應用到鑄造3D打印技術中，勢必會加速這種技術的發展，為行業帶來深遠而又巨大的影響。