基于FDM技术的3D打印机控制技术分析与研究

雷子山

摘 要：社会的不断进步和经济水平的快速提升，给加工制造业的发展提出了更高的要求。新型产品的大量涌现，给加工制造企业的发展带来了巨大的竞争压力，最关键的莫过于技术创新问题。而基于FDM技术的3D打印机控制技术不仅可以有效缩短产品的开发周期，还能降低制造技术使用的复杂性，提高产品制造效率和企业发展竞争力。

关键词：FDM技术;3D打印机控制技术;技术创新

中图分类号：TP334.8 文献标识码：A 文章编号：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

随着科学技术的不断创新，基于熔融沉积成型技术（Fused Deposition Modeling，FDM）的3D打印机控制技术在当前加工制造行业中得到了较为广泛的应用。该技术具有生产成本低、打印材料适应性强等特点，给加工制造企业的发展带来了巨大的竞争优势。基于FDM技术的3D打印机控制技术是一种新型的加工技术，其不仅被应用在制造行业，还被应用在医疗和国防等领域。但是，3D打印机控制技术的使用成本较高，这样就给产品的制造带来了巨大的经济压力。因此，人们应加大对3D打印机控制技术的创新，确保实现本土化发展，以提高我國制造业的总体发展水平。本文就针对基于FDM技术的3D打印机控制技术展开具体的分析与讨论。

1 基于FDM技术的3D打印机核心结构和工作原理

分析与了解基于FDM技术的3D打印机核心结构和工作原理，有助于人们设计较为完善的3D打印机控制系统，提高产品制造效率。

3D打印技术是一种材料叠加制造技术，其在工作时以打印件的模型为基础，通过运用蜡材、塑料等特殊材料来实现打印材料的黏合，确保完整地打印出物体的实体结构。而基于FDM技术的3D打印机的主要工作原理为：控制喷头，使其在打印机零件的截面外侧边线轮廓和内侧辅助填充线条组成的区域展开运行，这样喷头内的打印材料受到高温的影响，会逐渐融化，其融化后会再次凝固，从而完成一个截面的单层堆积[1]。

就针对基于FDM技术的3D打印机而言，其主要包括机械结构和控制系统两个部分。其中，控制系统的功能主要是实现打印材料的打印。而基于FDM技术的3D打印机主要包括送丝机构、挤出机构、运动机构、工作平台和控制系统等部分。其中，工作台是物体打印的主要成型场所，当收到相关的打印指令后，步进电机就会带动丝材通过送丝机构进入挤出机构，这样材料就会在挤出机构受到高温的影响而被挤出，而在熔融状态下，相应的打印材料就会逐步成型。最后再将成型的材料输送到喷嘴部分，而喷嘴部分可沿着二维平面的路径实现对材料的打印，这样每打印完一个平面，其就会沿着Z轴移动到下一个平面，以此以层层黏结的方式完成对物体结构的立体成型[2]。

基于FDM技术的3D打印机控制技术可以有效缩短新产品的研制周期，提高复杂模型的打印概率，有效提高复杂模型的加工制造能力。此外，该技术的整个应用过程都为数字化操作，减少了人为因素的影响，能及时发现并修改设计错误，有效降低经济损失，提高产品制造的成功率。

2 控制系统总体设计

当前，基于FDM技术的3D打印机主要采用同一直径喷嘴和分层高度，对工件表面、内部支撑以及辅助支撑展开打印。控制系统主要包括温度控制系统和伺服控制系统两部分。其中，温度控制系统主要控制打印机运行温度，而伺服控制系统主要控制3D打印机对相关打印材料所执行的动作。该系统的核心部分采用ATmega2560作为主要电路板，通过软件与硬件的密切配合，不仅可以实现USB的良好通信，确保有效接受打印指令，还能控制整个伺服电机，实现对相关打印材料的读取和存储。

3D打印机对打印材料的打印不是由某个单一部分完成，而是需要各个部分协同合作，这样才能确保打印材料在打印的过程中不间断运行，提高该技术使用的安全性和有效性。在打印材料时，3D打印机首先要建立完整的三维模型，模仿打印材料的空间布局和结构，再对三维模型进行切片处理，将其处理为切片文件并将其载入上位机中，为打印工作的展开做好充分准备[3]。而在具体打印时，应调平整个外部的机械结构，根据打印需求，合理设置打印机工作平台和挤出机结构的相关参数，并将挤出结构的温度调至合理范围，有效满足打印材料的打印需求。此外，温控系统可以合理监控打印温度，一旦温度过高或者过低，其就会自动调节，确保材料定型，有效提高产品的制造精度。

2.1 IO控制电路设计

在3D打印机运行时，外界电路会干扰ATmega2560主控制系统的运行，使其极易出现差错。人们可以添加光耦电路来实现对电路的隔离，避免其影响主控制系统的稳定运行。此外，还可以使用逻辑电平转换芯片来实现对IO信号的转换，确保满足逻辑电平转换和差分转换要求。本控制系统采用TLP521作为主要光电隔离元件，伺服驱动器的工作电压为5V，整个系统属于3V和5V的混合电路，可以实现对电压值的良好切换，为打印工作的开展营造良好的电压环境，提高3D打印技术使用的安全性和稳定性[4]。

2.2 伺服控制系统研究

3D打印机的传动系统主要由42步进电机、同步轮以及联轴器等部分组成。其中，电步轴的直径约为5mm，故其所需电流量较小。但是，步进电机可以有效地将电脉冲信号转换为角位移，有效传输相关信号，提高产品生产精度。打印机运行期间，步进电机要设定运行角度和方向，确保其合理移动，以带动整个3D打印机的执行结构运行。其中，电脉冲的个数可以控制整个角位移量，而电脉冲信号的频率也可控制整个电机的速度。步进电机在运行时会产生振动现象，倘若不进行控制处理，就会影响整个打印机的工作效率，增加打印误差。因此，人们可以将A4988芯片设置为1/16驱动，并对其进行进一步的细分，确保步进电机的转子运行曲线更加细滑和流畅，有效控制伺服系统的运行精度，提高伺服系统的运行质量[5]。

2.3 温度控制系统研究

3D打印机温度控制系统的运行目的主要是实现对温度的采集和输出。其中，打印机的加热模块主要包括喷头和热床两部分。3D打印机工作期间，需要先加热材料，再对其进行冷却，实现对材料的定型。喷头装置的作用是提高温度，给丝材加热，使其达到熔融温度。值得注意的是，倘若温度设置过高，整个丝材会碳化分解，堵塞整个喷头;倘若温度设置过低，丝材不会达到熔融状态。因此，应合理设置喷头温度，将温度控制在合理范围内，确保丝材顺利黏附。

喷头和热床的温度不是随意设定的，要根据丝材的材料性能进行设置。本系统采用的丝材类型为ABS，其所需要的热床温度为110℃，喷头的温度为230℃。加热时选用加热棒，并利用热敏电阻实现对加热情况的反馈[6]。为了确保打印工作顺利展开，人们必须将温度控制在合理范围内，打印前应对喷头和热床进行预热，保证打印机运行温度。但是，在预热时，热敏电阻两端的电压会随着丝材温度的上升而发生变化，而控制板的A0和A1模拟量的输入端口可读取热敏电阻两端的电压，进而通过A/D转换模块来实现数字信号的有效转换，保证打印温度，快速结束预热，促进打印工作正常开启[7]。

2.4 试验验证

通过对相关虚拟模型的设计与分析，人们可以制定一套完整的适合加工制作的设计方案。但在具体设计时，要根据模型、图纸以及相关设计的结构样式或者尺寸展开实体加工工作，确保研制出基于FDM技术的3D打印机。其中，打印机的外框主要采用有机玻璃板材质，整个外观较为整洁，功能较为完善。为了验证基于FDM技术的3D打印机控制系统运行的可行性和有效性，人们可以选择一个结构较为复杂的元件进行加工。加工时应将料盒所生成的切片文件通过SD卡保存在3D打印机上，确保其完成加载和执行操作。而通过测试可知，所打印出的成品符合相关产品生产需求。打印出的工件不仅表面光滑、整洁，而且纹理分明，整个内部结构排列有序。因此，基于FDM技术的3D打印机控制技术能够有效满足工件的制作需求[8]。

3 未來的展望

当前，基于FDM技术的3D打印机控制技术可以有效满足工件制造需求，人们要合理控制工件的制造精度，减少制造误差。现有的3D打印机在运行时还较易出现溢流、断丝等问题，影响3D打印机打印精度和打印质量的因素有很多，如丝材类型、加热温度以及工件质量等。未来，在对该技术进行研究时，人们应关注外在因素对打印质量的影响，提高整个工件的打印质量和制造精度。此外，打印材料仿真分析往往具有一定的局限性，人们不能根据实际打印环境来合理控制打印进程，导致仿真结果与实际构件之间存在较大的误差。因此，在对该系统进行研究时，应更加注重该系统使用的灵活性，确保其能够实现对构件的良好仿真，最终实现对构件的完全打印和还原。打印时使用不同的分层处理技术，其产生的试验结果精度也不尽相同。因此，在制造相应的产品时，人们应根据工件的具体需求实现对产品的设计与制造，有效降低工件的制造精度[9]，促进我国制造业实现稳定发展。

4 结论

不断研究与分析基于FDM技术的3D打印机控制技术，有助于有效提高产品制造精度，减少产品制造误差，缩短产品制造周期。因此，人们应首先认识与了解基于FDM技术的3D打印机核心结构及工作原理，进而从IO控制电路设计、伺服控制系统研究、温度控制系统研究以及试验验证四个方面来展开3D打印机控制系统的设计工作，确保充分发挥该系统的应用价值，提高3D打印机的工作稳定性和产品生产效率，促进我国生产制造行业快速、稳定发展。

参考文献：

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[3]陈成军，杜祥星，李章朋.基于FDM技术工业级3D打印机的设计与应用[J].信息技术与信息化，2019（2）：46-49.

[4]陈金英，史利娟，牛小铁.基于3D打印机的装配关键技术与精度测试的研究[J].组合机床与自动化加工技术，2017（8）：131-133.

[5]李世鹏.基于FDM的彩色3D打印机控制系统研究[D].衡阳：南华大学，2017.

[6]雷芳，孟鑫沛，张俊平，等.针对柔性材料的FDM型3D打印机的远程送料机构研究与设计[J].装备制造技术，2018（9）：128-130.

[7]杨向东，莫煦健，张鹏飞.FDM型3D打印机典型故障诊断与维修[J].机电工程技术，2017（7）：102-104.

[8]彭秋霖.基于FDM技术的3D打印机控制技术分析与研究[J].内燃机与配件，2018（13）：242-243.

[9]郑喜贵，黄子帆，李俊美，等.FDM彩色3D打印机控制系统的研究[J].现代制造工程，2017（12）：66-70.