3D打印机中的温度控制研究

孔庆芳

(天津现代职业技术学院 天津300350)

应用技术

3D打印机中的温度控制研究

孔庆芳

(天津现代职业技术学院 天津300350)

3D打印是一种可广泛应用的新型制造技术，起源于快速成型技术。近年来，该技术发展迅速，可打印的材料也日趋丰富，对制造业具有划时代的意义。3D打印机的温度控制系统直接关系到打印产品的效果。针对3D打印机的温度控制模块开展了研究，设计并采用金属铂热电阻作为温度传感器和闭环温度控制系统。为保证温度控制系统的稳定性，在硬件设计中加入了集成单电源仪表放大器AD623，在软件设计中也进行了屏蔽干扰处理。

3D打印 温度控制 温度传感器

1 3D打印技术概述

1.1 起源

快速成形技术(又称自由成形技术)出现于20世纪 90年代。不同于传统的加工技术，该技术无需机床和模具，是以 CAD技术、数控技术和材料技术等为核心的新型制造技术。快速成形技术的问世，既降低了成本，又节约了人力，是制造业一项具有划时代意义的创新。

经过多年试验，快速成形技术关键设备——快速成形机也已问世，在设计新产品、测试验证方面得到了很好的应用，但在使用过程中也暴露出一些弊端。例如，受限于机构特点，快速成形机制作的工件多数为样品，不能实现具体的功能。另外，主要配件如激光器和震荡镜成本太高，难以广泛应用。3D打印技术就是在这种背景下问世的。

1.2 应用

3D打印技术的应用范围非常广泛。在房地产业，该技术可以打印内部结构非常精细的沙盘模型。珠宝公司设计的概念性或者私人定制的首饰可以通过 3D打印技术来实现，为个性化路线提供了技术支持。服装设计中，可以通过 3D打印机直接打印设计的服装，使服装更具立体感和整体效果。3D打印技术在医疗领域的应用可以为医疗事业发展做出巨大贡献，如打印人造器官，解决目前器官短缺的问题。在教育教学中，采用 3D打印技术可以把设计及构思形象化地打印出来，更好地进行研究改进。在影视业中，该技术打印设计的卡通造型及大型模型效果极佳。另外，3D打印技术在食品业中也有应用。

2 3D打印机的温度控制

2.1 热传递

3D打印机的打印头在工作中存在热传导和热对流两种热传递方式。在打印过程中，固体打印材料在打印头被加热腔加热成液体，并保持熔融状态，具有良好的粘流动性、适合的丝宽及良好的粘接性能，从而保证试件质量，这就是热传导过程。为了使打印过程顺利完成，试件符合标准，避免加热腔温度过低或过高，需要保持恒温，而当温度过高时需开通冷气来降低温度，这就是热对流过程。

2.2 温度传感器

温度传感器是一种将外界感知的温度信号转换成电路中有用的电信号的装置。温度传感器包括金属热电阻、热电偶、新型集成温度传感器等。工业温控系统中常用的是金属热电阻或热电偶，而新型集成温度传感器件多应用于小型的测温电路中。

金属热电阻主要有金属铂电阻和铜电阻两种。铂电阻的测温范围为-200～500,℃，铜电阻的测温范围为-50～150,℃。使用热电阻测温结构简单，不需要外加补偿电路。两种热电阻相比较，铜电阻成本较低、测温范围较小；铂电阻成本较高、测温范围较大，在选用时可根据具体温度综合考量。

热电偶是根据金属的热电效应制成的。它是由两种不同材料的导体组成的闭合回路，只要导体两端温度不同，就会在闭合的回路中产生电势差。测温范围为-270～2,700,℃。热电偶测温范围大、成本低、性能稳定，但是在使用时需要外加温度补偿电路。

3D打印机选取何种温度传感器与打印的材料有关。目前，3D打印中常采用的材料有 PVC、PBS、ABS等，这些高分子材料融化后的温度为 100～280,℃。从测温范围角度考虑，铜电阻不满足，而热电偶测温范围大，但考虑到低温测量时，其测量精度又不够。因此，选用铂电阻作为 3D打印机打印头的温度控制传感器。

2.3 闭环温度控制系统

3D打印机中的温度控制系统至关重要，其不仅能监测打印机的正常工作，更直接关系到打印结果和质量。打印材料在加热腔内被加热到熔融状态，在打印开始时从打印头挤出。由于不同材料的熔点不同，因此要设定不同的温度。另外，在打印过程中要使打印材料始终处在熔融状态，否则会影响打印效果。假如温度偏高，喷嘴出口会变得粘稠，影响试件效果，甚至导致试件变形；而温度偏低，则会加快材料凝固，不能和其他材料完好粘结，甚至造成材料无法喷出，打印不能顺利完成。

为此，本研究为打印头的加热腔设计了闭环的温度控制系统(见图 1)，既能实时检测温度，又能根据不同的材料设定温度，最重要的是可以实时反馈加热腔温度状况，对温度进行实时把控，保障 3D打印顺利完成。

图1 闭环温度控制框图Fig.1 Block diagram of a closed-loop temperature control system

这个闭环的温度控制系统由控制器、驱动器、加热器、温度传感器、滤波电路、放大电路等组成。首先通过加热器把打印材料加热到对应的温度区间，然后由温度传感器获取加热腔的温度，经过滤波及放大电路把信号传输给控制器，再由控制器做出相应判断，提高或者降低温度，整体形成一个闭合的回路，保证打印机温度满足要求。

3 3D打印机的温控实现

3.1 硬件电路设计

温度传感器采用Pt100铂电阻，其测量电路选用桥式电路测量。在测量过程中，热电阻温度不同阻值就会不同，通过电路计算出热电阻的阻值，从而得出加热腔的温度。由于热电阻在测量过程中会受到干扰，为了保证测温系统的稳定性，在测量电桥后增加一个 AD623。这是一个集成单电源仪表放大器，通过电阻对增益进行编程，最高增益上千倍，十分灵活。AD623的共模抑制比也是和增益成正比的，对于检测过程中的噪声以及信号谐波的屏蔽效果良好。为了保证电压稳定，还选用了LT1634、LT1634CZ-4.096和 LT1634CZ-1.25 等稳压芯片。硬件电路设计如图2所示。

在加热驱动电路中进行光耦隔离，使用TLP_521-1型号的光耦驱动器把控制器和电加热隔离开。其内部结构主要是由光敏三极管、发光二极管构成，当发光二级管发光时，光敏三极管达到饱和从而导通，加热开始。

图2 温控系统硬件电路图Fig.2 Hardware design for the temperature control system

3.2 软件程序设计

在程序设计时，为了保证对闭环的控制，需要具备温度采集和模糊 PID控制输出。温度采集又包括温度采集和数据转换，两个部分的主要任务是采集打印头加热腔的温度，把采集到的信号进行处理，转化为处理器能够识别的数字信号，方便温控系统的整体控制，具体流程见图3。

图3 温度控制系统软件图Fig.3 Software design of temperature control system

选用单片机内部自带的 12位 ADC模块，再根据实际需要设置参数，包括扫描方式、工作模式、对齐方式等。采集到加热腔的温度通过ADC得到输出数值，再通过计算获取铂电阻的电阻值，从而得到温度值。通过软件对系统进行屏蔽干扰，即采集 8次数据，去除最大值和最小值，再对剩余的数值求平均值，作为最终结果。

4 结 语

温度控制系统是3D打印机中的重要模块之一。本文从硬件设计和软件设计两个方面对温度控制系统进行研究，设计了控制精度较高的温控系统。后续会对 3D打印机的其他模块开展深入研究，设计性能更高的3D打印机。■

［1］ 陆阳. 方兴未艾的 3D打印产业[J]. 中国经贸导刊，2013(36)：51-52.

［2］ 幻林泉，培康，江森. 快速成型与快速制造技术[M].北京：国防工业出版社，2003.

［3］ 李晓燕，张曙. 三维打印成形技术在制药工程中的应用[J]. 中国制造业信息化：学术版，2004，33(4)：105-107.

［4］ 卢秉恒，赵万华，洪军. 增材制造[J]. 机电信息，2001(Z1)：30-32.

［5］ 宋敏. 快速成型技术及应用[J]. 光机电信信息，2008(9)：42-47.

［6］ 尹希猛，王运赣. 快速成型技术——90年代新的造型工具[J]. 中国机械工程，1993(6)：25-27.

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