3D打印机加热系统的PID控制

王晓亮

摘 要：近年来，3D打印技术受到了各国各界的广泛关注。3D打印具有成型速度快、无污染及方便在室内使用等优点，在现代制造业的发展中发挥了巨大的作用。文章通过将3D打印机的加热系统采用PID控制的方法，可以有效的控制温度的大幅度变化，从而很大程度提高了打印出的工件质量。

关键词：3D打印；加热；PID控制

1 3D打印技术的概述

3D打印技術的研究始于20世纪80年代，当时被称作快速成型技术。世界上最早研究3D打印技术的是美国3D Systems公司，于1986年推出第一台快速成型机。3D打印系统是以数字化模型文件为基础，如三维CAD模型，经过分层切片处理后得到一系列的二维截面数据，利用这些数据控制3D打印机的驱动系统来带动喷头进行运动，喷出可粘结的材料，经过逐层堆积的方式得到三维目标实体。目前3D打印技术已被广泛应用到各个领域，如机器人、电子产品、生物医学、航空航天、建筑行业等。3D打印具有其独特的制造模式，直接将虚拟的数字化模型转化为产品，简化了生产流程，降低了产品的生产成本，缩短了产品的开发周期。

2 熔融式3D打印的工作原理

通过采用不同的材料及成型方式，使3D打印技术在实现方法上不断创新。3D打印技术主要分为挤出成型、粒状物料成型、光聚合成型等，根据材料和设备的不同，以上三种类型又分别有多种成型方式。

其中挤出成型是目前最容易实现的一种3D成型手段，主要以熔融沉积成型（FDM）技术实现[1]。熔融式3D打印机通过计算机控制已加热的喷头，根据模型设计的单层面数据在X-Y二维平面内运动。喷头可以将挤丝机传送过来的丝状打印材料熔化，然后从喷嘴挤出粘接到工作台上，在空气中冷却后凝固。打印完一层之后，计算机控制喷头上升一层材料的高度，继续按下一层面的路径完成打印并堆积起来，最终实现整个打印件的成型。

由于FDM技术是采用工业级热塑材料进行成型加工的，与其他类型的3D打印相比，FDM成型的产品具有很好的耐热性和耐腐蚀性，已在机械零件等产品中得到直接应用。2012年由Stratasys公司研发的超大型快速成型机Fortus 900mc，具有相当高的成型精度、较大的成型尺寸，可以进行产品级零部件的生产[2]。由于FDM实现成本较低，目前市场上销售的3D打印机还是以FDM型设备为主，小型的FDM设备的价格甚至降到了几千元。

3 3D打印机的温度控制系统设计

由于熔融式3D打印机的挤丝头和热床都要处于恒温的状态，采用加热电阻对其进行加热，然后通过热敏电阻进行温度的监测。3D打印机采用的微控制器STM32F407拥有12位ADC模块，可以实时采集CTCI Temp接口的电压数值，其中接口连接的热敏电阻通过分压实现CTCI Temp接口电压随温度变化，且控制器ADC采集到的电压模拟量与热敏电阻上的温度变化之间具有良好的线性关系，具体参数可以通过温度校对标定出来。微控制器根据采集到的电压转换成温度值，然后将这个温度值与系统设置的目标温度进行对比，并进行PID调节，由CTCI Heat引脚输出信号驱动功率管的导通与断开，进而控制挤丝机和热床的加热电阻是否加热。微控制器经过PID调控使挤丝机和热床的温度浮动保持在一定范围之内，形成一个闭环的温控系统。

PID调节控制是根据反馈值与设定值的偏差进行比例（P）、积分（I）、微分（D）运算，经过计算输出适当控制信号给执行端，促使反馈值逐渐接近设定值，进而实现自动控制[3]。PID控制已广泛应用于工程控制中，它有简单、稳定、参数调整方便等优点。PID控制器公式为：

或表示成传递函数：

式中KP是比例增益系数，TI是积分时间常数，TD是微分时间常数，u（t）为输出量，e（t）表示偏差。

PID控制器中通过调节KP，TI，TD三个参数来实现温度的调节的。e（t）是采集信号与给定参数值的偏差值，通过PID调节使其趋近于0，从而输出量也逐渐接近给定值，此时三个参数的值为最优。PID运算一般需要建立一个用来保存PID运算所需要的三个参数KP，TI，TD以及设定值、历史误差的累加值等信息的结构体数据类型[4]。

PID运算后的返回值来控制定时器，根据定时器的调整控制输出不同占空比的PWM波，进而控制加热元件的工作时间，得到几乎恒定的温度。

4 PID测试结果分析

经过图1曲线对比可以看出，在PID调控下的温度曲线，温度上升为1分半钟左右，超调量5%，3分钟达到稳定的状态，最终稳定在180℃，且稳态误差较小。而无PID调控的升温曲线，可以看出温度的波动范围一直在10℃左右，超调量较大，平均温度也要高出目标温度5℃左右。

PID调控的温度明显要比无PID调控的稳定得多，尤其在挤丝机稳定运行以后，无PID调控的温度波动范围在10℃左右，平均温度也要高出设定温度5℃左右，而在PID调控下可以使温度趋近于设置温度。

由此结果分析可得，3D打印机的加热系统通过PID调控对温度能够实现精确控制，能满足3D打印耗材对温度的要求，保证了PLA材料在打印过程中处于最佳的熔融状态。若无PID调节，挤出头温度过大波动，就有可能因为PLA耗材因为温度过高而碳化，造成喷丝头堵丝现象，影响打印效果。

参考文献

[1]殷媛媛.上海软科学研究基地——上海科学技术情报研究所前沿技术发展研究中心.全球3D打印技术发展的新趋势[N].科技日报，2013-06-02（002）.

[2]王红霖.3D打印技术制造业发展新趋势[J].现代工业经济和信息化，2013，01：24-25.

[3]江晓波.化工乳液温度控制系统设计[J].电脑知识与技术，2011，3

6：9531-9533.

[4]魏韬.SPCE061A数据采集与控制系统的设计与实现[D].武汉：武汉理工大学，2009.