基于FDM技術的3D打印機控制技術分析與研究

雷子山

摘 要：社會的不斷進步和經濟水平的快速提升，給加工制造業的發展提出了更高的要求。新型產品的大量涌現，給加工制造企業的發展帶來了巨大的競爭壓力，最關鍵的莫過于技術創新問題。而基于FDM技術的3D打印機控制技術不僅可以有效縮短產品的開發周期，還能降低制造技術使用的復雜性，提高產品制造效率和企業發展競爭力。

關鍵詞：FDM技術;3D打印機控制技術;技術創新

中圖分類號：TP334.8 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）23-0008-03

Analysis and Research of 3D Printer Control Technology

Based on FDM Technology

LEI Zishan

（Guangzhou Technician College，Guangzhou Guangdong 510410）

Abstract： The continuous improvement of the society and the rapid improvement of the economic level have put forward higher requirements for the development of the processing industry. The emergence of a large number of new products has brought tremendous competitive pressure to the development of processing and manufacturing enterprises. The most critical issue is the problem of technological innovation. The 3D printer control technology based on FDM technology not only can effectively shorten the product development cycle， but also reduce the complexity of manufacturing technology， improve product manufacturing efficiency and enterprise development competitiveness.

Keywords： FDM technology;3D printer control technology;technological innovation

隨著科學技術的不斷創新，基于熔融沉積成型技術（Fused Deposition Modeling，FDM）的3D打印機控制技術在當前加工制造行業中得到了較為廣泛的應用。該技術具有生產成本低、打印材料適應性強等特點，給加工制造企業的發展帶來了巨大的競爭優勢。基于FDM技術的3D打印機控制技術是一種新型的加工技術，其不僅被應用在制造行業，還被應用在醫療和國防等領域。但是，3D打印機控制技術的使用成本較高，這樣就給產品的制造帶來了巨大的經濟壓力。因此，人們應加大對3D打印機控制技術的創新，確保實現本土化發展，以提高我國制造業的總體發展水平。本文就針對基于FDM技術的3D打印機控制技術展開具體的分析與討論。

1 基于FDM技術的3D打印機核心結構和工作原理

分析與了解基于FDM技術的3D打印機核心結構和工作原理，有助于人們設計較為完善的3D打印機控制系統，提高產品制造效率。

3D打印技術是一種材料疊加制造技術，其在工作時以打印件的模型為基礎，通過運用蠟材、塑料等特殊材料來實現打印材料的黏合，確保完整地打印出物體的實體結構。而基于FDM技術的3D打印機的主要工作原理為：控制噴頭，使其在打印機零件的截面外側邊線輪廓和內側輔助填充線條組成的區域展開運行，這樣噴頭內的打印材料受到高溫的影響，會逐漸融化，其融化后會再次凝固，從而完成一個截面的單層堆積[1]。

就針對基于FDM技術的3D打印機而言，其主要包括機械結構和控制系統兩個部分。其中，控制系統的功能主要是實現打印材料的打印。而基于FDM技術的3D打印機主要包括送絲機構、擠出機構、運動機構、工作平臺和控制系統等部分。其中，工作臺是物體打印的主要成型場所，當收到相關的打印指令后，步進電機就會帶動絲材通過送絲機構進入擠出機構，這樣材料就會在擠出機構受到高溫的影響而被擠出，而在熔融狀態下，相應的打印材料就會逐步成型。最后再將成型的材料輸送到噴嘴部分，而噴嘴部分可沿著二維平面的路徑實現對材料的打印，這樣每打印完一個平面，其就會沿著Z軸移動到下一個平面，以此以層層黏結的方式完成對物體結構的立體成型[2]。

基于FDM技術的3D打印機控制技術可以有效縮短新產品的研制周期，提高復雜模型的打印概率，有效提高復雜模型的加工制造能力。此外，該技術的整個應用過程都為數字化操作，減少了人為因素的影響，能及時發現并修改設計錯誤，有效降低經濟損失，提高產品制造的成功率。

2 控制系統總體設計

當前，基于FDM技術的3D打印機主要采用同一直徑噴嘴和分層高度，對工件表面、內部支撐以及輔助支撐展開打印。控制系統主要包括溫度控制系統和伺服控制系統兩部分。其中，溫度控制系統主要控制打印機運行溫度，而伺服控制系統主要控制3D打印機對相關打印材料所執行的動作。該系統的核心部分采用ATmega2560作為主要電路板，通過軟件與硬件的密切配合，不僅可以實現USB的良好通信，確保有效接受打印指令，還能控制整個伺服電機，實現對相關打印材料的讀取和存儲。

3D打印機對打印材料的打印不是由某個單一部分完成，而是需要各個部分協同合作，這樣才能確保打印材料在打印的過程中不間斷運行，提高該技術使用的安全性和有效性。在打印材料時，3D打印機首先要建立完整的三維模型，模仿打印材料的空間布局和結構，再對三維模型進行切片處理，將其處理為切片文件并將其載入上位機中，為打印工作的展開做好充分準備[3]。而在具體打印時，應調平整個外部的機械結構，根據打印需求，合理設置打印機工作平臺和擠出機結構的相關參數，并將擠出結構的溫度調至合理范圍，有效滿足打印材料的打印需求。此外，溫控系統可以合理監控打印溫度，一旦溫度過高或者過低，其就會自動調節，確保材料定型，有效提高產品的制造精度。

2.1 IO控制電路設計

在3D打印機運行時，外界電路會干擾ATmega2560主控制系統的運行，使其極易出現差錯。人們可以添加光耦電路來實現對電路的隔離，避免其影響主控制系統的穩定運行。此外，還可以使用邏輯電平轉換芯片來實現對IO信號的轉換，確保滿足邏輯電平轉換和差分轉換要求。本控制系統采用TLP521作為主要光電隔離元件，伺服驅動器的工作電壓為5V，整個系統屬于3V和5V的混合電路，可以實現對電壓值的良好切換，為打印工作的開展營造良好的電壓環境，提高3D打印技術使用的安全性和穩定性[4]。

2.2 伺服控制系統研究

3D打印機的傳動系統主要由42步進電機、同步輪以及聯軸器等部分組成。其中，電步軸的直徑約為5mm，故其所需電流量較小。但是，步進電機可以有效地將電脈沖信號轉換為角位移，有效傳輸相關信號，提高產品生產精度。打印機運行期間，步進電機要設定運行角度和方向，確保其合理移動，以帶動整個3D打印機的執行結構運行。其中，電脈沖的個數可以控制整個角位移量，而電脈沖信號的頻率也可控制整個電機的速度。步進電機在運行時會產生振動現象，倘若不進行控制處理，就會影響整個打印機的工作效率，增加打印誤差。因此，人們可以將A4988芯片設置為1/16驅動，并對其進行進一步的細分，確保步進電機的轉子運行曲線更加細滑和流暢，有效控制伺服系統的運行精度，提高伺服系統的運行質量[5]。

2.3 溫度控制系統研究

3D打印機溫度控制系統的運行目的主要是實現對溫度的采集和輸出。其中，打印機的加熱模塊主要包括噴頭和熱床兩部分。3D打印機工作期間，需要先加熱材料，再對其進行冷卻，實現對材料的定型。噴頭裝置的作用是提高溫度，給絲材加熱，使其達到熔融溫度。值得注意的是，倘若溫度設置過高，整個絲材會碳化分解，堵塞整個噴頭;倘若溫度設置過低，絲材不會達到熔融狀態。因此，應合理設置噴頭溫度，將溫度控制在合理范圍內，確保絲材順利黏附。

噴頭和熱床的溫度不是隨意設定的，要根據絲材的材料性能進行設置。本系統采用的絲材類型為ABS，其所需要的熱床溫度為110℃，噴頭的溫度為230℃。加熱時選用加熱棒，并利用熱敏電阻實現對加熱情況的反饋[6]。為了確保打印工作順利展開，人們必須將溫度控制在合理范圍內，打印前應對噴頭和熱床進行預熱，保證打印機運行溫度。但是，在預熱時，熱敏電阻兩端的電壓會隨著絲材溫度的上升而發生變化，而控制板的A0和A1模擬量的輸入端口可讀取熱敏電阻兩端的電壓，進而通過A/D轉換模塊來實現數字信號的有效轉換，保證打印溫度，快速結束預熱，促進打印工作正常開啟[7]。

2.4 試驗驗證

通過對相關虛擬模型的設計與分析，人們可以制定一套完整的適合加工制作的設計方案。但在具體設計時，要根據模型、圖紙以及相關設計的結構樣式或者尺寸展開實體加工工作，確保研制出基于FDM技術的3D打印機。其中，打印機的外框主要采用有機玻璃板材質，整個外觀較為整潔，功能較為完善。為了驗證基于FDM技術的3D打印機控制系統運行的可行性和有效性，人們可以選擇一個結構較為復雜的元件進行加工。加工時應將料盒所生成的切片文件通過SD卡保存在3D打印機上，確保其完成加載和執行操作。而通過測試可知，所打印出的成品符合相關產品生產需求。打印出的工件不僅表面光滑、整潔，而且紋理分明，整個內部結構排列有序。因此，基于FDM技術的3D打印機控制技術能夠有效滿足工件的制作需求[8]。

3 未來的展望

當前，基于FDM技術的3D打印機控制技術可以有效滿足工件制造需求，人們要合理控制工件的制造精度，減少制造誤差。現有的3D打印機在運行時還較易出現溢流、斷絲等問題，影響3D打印機打印精度和打印質量的因素有很多，如絲材類型、加熱溫度以及工件質量等。未來，在對該技術進行研究時，人們應關注外在因素對打印質量的影響，提高整個工件的打印質量和制造精度。此外，打印材料仿真分析往往具有一定的局限性，人們不能根據實際打印環境來合理控制打印進程，導致仿真結果與實際構件之間存在較大的誤差。因此，在對該系統進行研究時，應更加注重該系統使用的靈活性，確保其能夠實現對構件的良好仿真，最終實現對構件的完全打印和還原。打印時使用不同的分層處理技術，其產生的試驗結果精度也不盡相同。因此，在制造相應的產品時，人們應根據工件的具體需求實現對產品的設計與制造，有效降低工件的制造精度[9]，促進我國制造業實現穩定發展。

4 結論

不斷研究與分析基于FDM技術的3D打印機控制技術，有助于有效提高產品制造精度，減少產品制造誤差，縮短產品制造周期。因此，人們應首先認識與了解基于FDM技術的3D打印機核心結構及工作原理，進而從IO控制電路設計、伺服控制系統研究、溫度控制系統研究以及試驗驗證四個方面來展開3D打印機控制系統的設計工作，確保充分發揮該系統的應用價值，提高3D打印機的工作穩定性和產品生產效率，促進我國生產制造行業快速、穩定發展。

參考文獻：

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