探究3D 打印技术过程中的控制问题

中国电子科技集团公司第十二研究所 张佳 于森

随着科学技术的不断进步，3D 打印技术在很多领域得到了较为广泛的应用，同时取得了明显的应用效果，并且在此项技术的支撑下，促进了机械设备制造技术的发展，工厂中应用此项技术，可以明显地提升工厂设计、生产以及制造的效率。3D 打印机的功能越来越完善，德国科研领域人员最早研发出三维生物打印机，可以打印人体牙齿和其他不同部位器官。同时基于三维打印机，可以修复以及制造历史遗址。3D 打印技术的出现，改变了传统中机械以及人工加工生产的模式，同时具有十分高的技术内容的修改效率。

1 3D 打印技术的优点

当下，3D 打印技术还未形成统一的分类标准，根据成型技术原理，可以将3D 打印技术分为熔融沉积成型技术、选择性激光烧结技术、立体光固化技术（如图1所示）等。根据设备的体积，可以将3D 打印技术划分为桌面级、中型、大型3D 打印机。根据用途，可以将其划分为航天、民用、工业用3D 打印机等。在很多领域，3D打印技术都具有重要的实际应用价值。

图1 立体光固化技术成型流程图

3D 打印技术的用途，就是它可以不在厂房使用，能够打印出很小的东西，同时，使用完后可以将其放在房间的某个角落或者住所当中，但是电动车车架等一些较大的物体,则应当存放到更大的打印机和更大的地方。

3D 打印技术最独特的优势，就在于不需要工厂生产或者另外的途径，就可以利用电脑制作的图像，形成一切形状的物品，使得产品的制造时间得到大幅缩减，降低了生产时间，减少了生产费用。

相比于传统的技术，3D 打印技术还具备以下优点：通过议定放弃制造线，使得生产资金得以缩减；较大幅度地减少了资源的浪费。同时，3D 打印技术还能够生产出传统技术难以生产出的轮廓，有利于更好地设计出火车车厢等。此外，3D 打印技术还能够使生产制造的过程得以缩短，效率较高、速度较快，同时在成本降低的前提下，将单个零件生产出来。

3D 打印技术还具备其他的优势, 大部分的金属以及机械零件设计的目的，都是为了生产，也就意味着不是十分划算，同时产生了较多的剩余废料。然而3D 打印技术却不是这样，材料的加工都是为了生产所必需的产品，通过3D 打印技术制造出的零件十分精密，同时价格较低。一旦没有了材料的生产控制,就可以最优化地达到其功能，所以相比于机器制造出来的零件，3D打印出来的产品，仅仅具有35%的重量,同时十分经济划算。

2 3D 打印技术过程控制系统分析

相比于传统技术，3D 打印技术具有十分明显的优势，不只是在厂房内得到了普遍的应用，不管是在酒店还是在公寓的房间一角，都可以实现有效的应用。不过需要注意的是，应当结合实际情况对打印机进行选择性地应用。

2.1 光固化成型的控制系统

20 世纪80 年代诞生了光固化成型技术,这也是后来3D 打印技术形成的基础,光固化成型系统经过一段时间的发展,得到了不断的改进和完善，为生产制造创造了坚实的基础。光固化成型控制系统包括了很多的组成部分，主要包含了激光扫描控制系统，工作台升降系统、计算机检测系统和光敏树脂液位检测系统等，再结合核心技术和多项系统，逐渐完善和提升了光固化成型控制系统，使其得到了更好的应用。光固化成型控制系统在最早期, 通过光敏树脂液位检测控制系统，可以达到有效控制液面的效果，使得激光显得聚焦平面和液面相互吻合。此外，当计算机发出指令之后，激光扫描系统实现对焦流程的自动化，实现通过激光扫描控制系统来完成扫描工作，当完成一层扫描，假如光敏树脂的形态没有被液面扫描到，此种情况下，光敏树脂液位检测控制系统出现不断下降，对于光敏树脂涂层来说，将一层光敏树脂涂抹到成型的层面，之后黏度较大的光敏树脂会通过刮平器来逐渐刮平，再利用激光扫描系统继续下一层的扫描任务，一层被一层包裹着，一直到设备零部件全面完成制造，最后出现实体的三维模型。

2.2 激光粉末成型技术的控制系统

对于激光粉末成型技术，涉及到很多方面的技术，主要包含了直接金属激光的烧结技术、选择性的激光熔化成型技术以及选择性的激光烧结技术等，在对激光粉末成型技术进行创新升级的过程中，应当对能量来源进行提升，或者应当对粉末颗粒的大小进行减少。激光粉末成型技术的控制系统，主要涉及到铺粉控制系统、激光扫描系统和成型缸升降系统等系统，在成型之前，在升降平台通过铺粉控制系统对粉末进行均匀的铺洒，之后利用预热系统，来完成压实以及预热粉末的工作，确保温度可以符合预热打印的相关要求，紧接着计算机控制激光扫描系统、振镜式扫描系统，推动其顺着二维轨迹进行扫描流程，有选择性地进行烧结，使得粉末材料变成固体，形成零件的层面，之后升降系统出现下降，铺粉系统重新对粉末进行均匀的铺洒，在预热系统的作用下，粉末被压实并且被预热，之后利用扫描的作用再次形成零件层面，利用上面来回往复的操作，一次次叠加零件层面，最终制作出三维零件。应当注意的是，最后应当注意回收剩余粉末，这一点十分重要，主要是考虑到后续的使用，然后将成型零件取出来即可。

3 控制系统

3.1 过程控制

对于3D 打印技术的过程控制系统来说，一般情况下采取反馈控制和算法改进的方式，利用控制过程参量，可以在生产过程中提升产品的产量，改善产品的质量，同时降低能耗。例如，熔融沉积成型技术（如图2）稳固低耗支撑结构生成的算法，对熔丝沉积制造中扫描熔丝构造的特点进行了分析，分类了支撑区域，按照每一个类型支撑的特性，设计相吻合的支撑结构成型算法，同时设计出最优化的计算模型，将满足不同类型限制的最小支撑结构计算出来，在打印成型的效果得到保证的前提下，也使得打印耗材得到缩减，同时对当下的Makerware 算法，通过实验数据进行了说明，得到的支撑结构更加稀疏，并且采取了锥形结构，可以达到大幅节约材料的效果，具有更高的算法稳定性。

图2 熔融沉积成型控制系统

3D 打印核心技术有所差异，表征过程的主要参数也存在一定的差异。对于熔融沉积成型技术，包含的过程参数有温度、送丝速度等。3D 打印技术当下只是实现了测量表示出过程控制的参数，同时采取部分简单的独立闭环控制，不过在很多条件下，3D 打印控制系统中被控量和控制量之间表现出互相影响的关系，一旦某个控制量出现变化，几个被控量就会受到影响。变量间的互相影响，就叫作耦合，耦合会导致过程控制系统变得更加复杂，例如，熔融沉积成型技术过程参数，包含温度、送丝速度等，不同的参数之间存在相互的影响。3D 打印能够采取解耦控制中的多变量频域途径，对此种耦合的问题进行处理。

3.2 整体控制

当下全球3D 打印控制系统的智能识别以及反馈功效，大体上处在空白的情况下，控制系统当中的每个子系统尽管可以顺利地实现闭环控制，不过大多数打印机的整体控制系统尽管还处在盲打过程，属于开环的状态，也就是说模型的成型，离不开人工总结数据，同时还需要完成较多的实验。一旦成型环节存在打印异常的问题，控制系统难以识别，更谈不上调整和解决问题。一旦成型过程存在某个打印问题，就会加大后续成型的误差，就需要在成型过程中，应当需要具备较高经验同时专业知识丰富的人员观察成型的状态。当下，大多数的3D 打印机还不具备打印记忆功能，假如打印过程中出现断电，也就不能继续续打，会导致浪费较多的时间和材料。所以，当下3D 打印控制系统应当解决智能识别和反馈功能的问题，通过系统自身自动将成型过程中存在的问题识别且判断出来，同时在第一时间做出相应的调整，并且利用智能识别系统提供的大量数据，使得3D 打印机可以具有自学以及自我完善的功能。

3.3 实验设计

3D 打印具有较为复杂的材料状态变化过程，材料会经历固态、液态、固态的状态变化过程，同时具有较高的打印精度要求，此时将一些新的技术以及控制器和控制系统引入。在此种背景条件下，很难利用状态等化学和基础的物理定律，完成精确的结构模型的建立，即便是设计出模型，也会因为较高的模型阶次，难以适用于分析和设计控制系统。并且，3D 打印控制系统，也具有一些不稳定因素，例如，环境温度的改变、电机运动的准确性等。对于建模难度较大、具有较多不确定因素的复杂系统，可以采取大量的数据系统实现分析和控制，并且采取以田口设计方法或者ANASYS 有限元方法为基础，设计出相关的实验，这些都属于后续3D打印控制系统的实验设计的发展方向，在实际的科研工作中以及实际应用当中，具有一定的指导意义。

3.4 仿真研究

全球对于3D 打印控制的仿真研究过程依旧处在打印过程中相邻层、局部性的功能模拟和验证阶段。此类工作核心在于模拟打印过程中模型的局部瞬间温度场，实验当中的一些模型采取的是常规形态，对于在实际打印当中存在的变化较多的模型，在实际的3D 打印作业当中，此类模型经常会存在变形等各种问题，并且仿真研究也难以反映出辐射、热传导等因素综合效果累积形成的层间应力变化，仅仅可以考虑到某一个因素造成的变化。在实际的打印过程中，由于受热原因，材料的物理参数出现变化，然而在仿真当中，却设置了一样的材料物理参数，其实其中的热力学等一些物理参数，具有较大的差异，此种仿真模拟过程具有较大的缺陷。所以，打印过程中的可视化仿真，是当前应当攻克的难关。

3.5 计算能力

在实际的工作环节中，3D 打印机会出现状态转换，不同被控制部件之间具备较强的耦合性，同时3D打印机不但应当具备较高的准确性以及快速性，还应当具有实时性，这就需要控制器具有较高的计算能力。部分低端产品因为成本等各种原因，控制器是采取的单片机，然而计算能力稍微有些不足。所以，为了实现3D 打印机满足相应的性能需求，应当利用计算能力更佳的控制器，并且，3D 打印也具有非线性强的问题，以及具有控制模型阶次高的问题。所以，怎样设计出更为先进的算法来处理这些问题，也是后续3D 打印控制系统应当做的。

4 结语

根据全文的分析，我们能够更加全面地认识到3D打印技术具有的重要意义，3D 打印技术涉及机械加工、汽车制造、导航系统以及其他很多领域。随着3D 打印技术的快速发展，3D 打印技术面临着关键性的发展机遇，因此应当努力发展3D 打印技术，重视研发3D打印技术，定期维护3D 打印技术系统，同时应用科学合理的防范措施，使得3D 打印技术更好地服务于各个领域。

在实践当中，3D 打印技术不但对于工厂工作没有较高的要求，同时也有着制造费用明显降低的优势，对于发展中国家来说具有明显的优势，可以有效提升生产能力。不过也有一些人认为，尽管3D 打印技术应用较为普遍，可以使得生产能力得到明显提升，然而却使得很多操作人员都失去了工作岗位，相比于传统技术，自动化水平较高，明显缩减了人力资源的应用。