3D打印技術(shù)過(guò)程控制問(wèn)題研究進(jìn)展

李軒　　莫紅，　　李雙雙　　王飛躍

3D打印技術(shù)過(guò)程控制問(wèn)題研究進(jìn)展

李軒1莫紅1，2李雙雙2王飛躍2

3D打印技術(shù)是一種新興的增材制造技術(shù)，許多人認(rèn)為是一項(xiàng)將要改變世界的“破壞性”技術(shù)，并聲稱(chēng)該技術(shù)將引發(fā)新一輪工業(yè)革命.本文根據(jù)3D打印技術(shù)涉及的不同核心成型技術(shù)、材料和設(shè)備體積等，介紹了3D打印技術(shù)的不同分類(lèi)，綜述了主流3D打印過(guò)程控制技術(shù)，指出了3D打印技術(shù)的控制系統(tǒng)存在的問(wèn)題并提出了產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中的建議和意見(jiàn).

3D打印，增材制造，控制系統(tǒng)，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程

引用格式李軒，莫紅，李雙雙，王飛躍.3D打印技術(shù)過(guò)程控制問(wèn)題研究進(jìn)展.自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2016，42（7）:983-1003

3D打印的思想自古有之，早在房舍的構(gòu)建技術(shù)中就有所體現(xiàn)，現(xiàn)代意義上的3D打印技術(shù)于上世紀(jì)80年代中期誕生于美國(guó)，3D打印技術(shù)以3D模型文件為藍(lán)本，將打印材料以特定方式逐層堆積以構(gòu)建三維實(shí)物.

進(jìn)入21世紀(jì)，國(guó)內(nèi)外大力推出多項(xiàng)3D打印相關(guān)政策或計(jì)劃.德國(guó)聯(lián)邦教研部（Bundesministerium f¨ur Bildung und Forschung，BMBF）多年前就針對(duì)3D打印技術(shù)提出長(zhǎng)期的發(fā)展計(jì)劃，2011 年5月推出的“德國(guó)光子學(xué)研究”涉及到對(duì)3D打印技術(shù)研究的資助［1］.2012年8月，奧巴馬撥款3000萬(wàn)美元，在俄亥俄州建立了國(guó)家級(jí)3D打印工業(yè)研究中心（National Center for Defense Manufacturing and Machining，NCDMM）［2］.我國(guó)科技部于2012年發(fā)布的“國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）”就包括了3D打印產(chǎn)業(yè)，并且國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)以及國(guó)家自然科學(xué)基金等科研規(guī)劃中也對(duì)3D打印技術(shù)給予了極大的支持.2015年2月28日，3D打印產(chǎn)業(yè)迎來(lái)了首份國(guó)家級(jí)發(fā)展推進(jìn)政策，工信部正式發(fā)布“國(guó)家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)計(jì)劃（2015-2016年）”（簡(jiǎn)稱(chēng)“計(jì)劃”）.“計(jì)劃”指出，鼓勵(lì)在材料生產(chǎn)方面具有優(yōu)勢(shì)的企業(yè)從事3D打印專(zhuān)用材料的研發(fā)和生產(chǎn)，針對(duì)航空航天、汽車(chē)、文化創(chuàng)意、生物醫(yī)療等領(lǐng)域的重大需求，突破一批專(zhuān)用3D打印材料［3］.隨著世界各國(guó)的大力推進(jìn)，3D打印技術(shù)滲透到學(xué)術(shù)科研、珠寶、工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑及眾多個(gè)性化設(shè)計(jì)領(lǐng)域.每個(gè)行業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用份額如圖1所示.

本文安排如下：第1節(jié)介紹3D打印技術(shù)的分類(lèi)；第2節(jié)論述主流3D打印技術(shù)過(guò)程控制問(wèn)題研究進(jìn)展；第3節(jié)為3D打印技術(shù)的展望.

1　3D打印技術(shù)的分類(lèi)

3D打印技術(shù)的分類(lèi)現(xiàn)如今沒(méi)有形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，按照成型技術(shù)原理可劃分為熔融沉積成型技術(shù)（Fused deposition modeling，F(xiàn)DM）、選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（Selective laser sintering，SLS）、分層實(shí)體制造技術(shù)（Laminated object manufacturing，LOM）、立體光固化技術(shù)（Stereo lithography appearance，SLA）、三維打印粘接成型技術(shù)（Three dimensional printing and gluing，3DP）、數(shù)字光處理技術(shù)（Digital light processing，DLP）、多頭噴射技術(shù)（PloyJet）、選擇性激光熔化技術(shù)（Selective laser melting，SLM）、直接金屬激光燒結(jié)（Direct metal laser sintering，DMLS）、電子束熔煉技術(shù)（Electron beam melting，EBM）等；按照設(shè)備的體積可以分為：桌面級(jí)、中型、大型3D打印機(jī)；按照用途可以分為：航天、軍用、工業(yè)用、民用3D打印機(jī)等.本文結(jié)合打印材料和成型原理，將3D打印技術(shù)分為5大類(lèi)：1）以熱塑性塑料為材料的FDM技術(shù)；2）以紙、金屬膜、塑料薄膜為材料的LOM技術(shù)；3）以石膏粉末、陶瓷粉末為材料，膠水粘接成型的3DP技術(shù)；4）以液態(tài)光敏樹(shù)脂為材料的光聚合成型技術(shù)，包含SLA、PloyJet、DLP等成型技術(shù)；5）以金屬、合金、熱塑性、陶瓷等粉末為材料，激光燒結(jié)/熔化成型技術(shù)統(tǒng)稱(chēng)為激光粉末成型技術(shù)，包含：SLS、DMLS、SLM以及EBM技術(shù)等，如表1所示.本文后續(xù)章節(jié)將按照表1的技術(shù)分類(lèi)逐一對(duì)主流3D打印技術(shù)過(guò)程控制問(wèn)題的研究進(jìn)展詳細(xì)介紹與說(shuō)明.

圖13D打印市場(chǎng)的行業(yè)應(yīng)用份額Fig.1　The industry application shares of 3D printing market

2　3D打印技術(shù)過(guò)程控制研究現(xiàn)狀

3D打印是一項(xiàng)融合機(jī)械工程技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)、三維模型技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、激光技術(shù)等多種學(xué)科的技術(shù).通過(guò)對(duì)控制技術(shù)的改善和創(chuàng)新，3D打印技術(shù)逐漸走向高速化、精確化、準(zhǔn)確化.3D打印成型技術(shù)的不同直接體現(xiàn)在其過(guò)程控制系統(tǒng)上.本節(jié)主要介紹3D打印技術(shù)中運(yùn)用廣泛的打印技術(shù)過(guò)程控制系統(tǒng)：1）熔融沉積成型控制系統(tǒng)；2）光聚合成型控制系統(tǒng)；3）激光粉末成型技術(shù)控制系統(tǒng).目前廣泛應(yīng)用的3D打印過(guò)程控制系統(tǒng)，如圖2所示.

圖23D打印過(guò)程控制系統(tǒng)分類(lèi)Fig.2　The classification of 3D printing process control system

2.1熔融沉積成型控制系統(tǒng)

表13D打印技術(shù)的分類(lèi)Table 1　The classification of 3D printing technology

熔融沉積成型控制研究起源于上世紀(jì)90年代，伴隨電子控制設(shè)備發(fā)展的突飛猛進(jìn)，以及3D打印產(chǎn)業(yè)對(duì)產(chǎn)品制造速度、質(zhì)量、精度要求的不斷提高，相關(guān)行業(yè)規(guī)則的日益苛刻，促使新技術(shù)、新算法、新設(shè)計(jì)不斷應(yīng)用到該技術(shù).熔融沉積成型技術(shù)是將材料熱熔后擠出成型，該技術(shù)動(dòng)作需要控制系統(tǒng)組合完成，其中硬件設(shè)備主要包括：熱熔噴頭、送絲機(jī)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、加熱成型室、工作臺(tái)5個(gè)部分，如圖3所示.成型開(kāi)始前，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)將進(jìn)行成型室的定位，采用限位開(kāi)關(guān)保證運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的行程范圍.然后，加熱成型室控制升溫并使溫度保持在70?C，熱熔噴頭將溫度上升至210?C，該溫度下熔融A(yíng)BS（Acrylonitrile butadiene styrene）或PLA（Polylactide）材料既可保持一定的流動(dòng)性又能保證很好的打印精度.隨后送絲機(jī)構(gòu)按照設(shè)定的成型速度擠壓送絲，同時(shí)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)按照計(jì)算機(jī)設(shè)定路徑進(jìn)行X、Y軸方向二維掃描.當(dāng)一層掃描完成后，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)向Z軸方向上移一層，然后熱熔噴頭再進(jìn)行下一層的運(yùn)動(dòng)，新固化的一層牢固地粘在前一層上，如此重復(fù)直到整個(gè)零件制造完畢，得到一個(gè)三維實(shí)體模型，整個(gè)過(guò)程中熱熔噴頭和成型室溫度保持恒定.這些硬件設(shè)備作為獨(dú)立的子控制模塊組成復(fù)雜的熔融沉積成型設(shè)備，該設(shè)備以上位機(jī)發(fā)送的切片數(shù)據(jù)為輸入，由內(nèi)部控制主板統(tǒng)一控制.

圖3　熔融沉積成型控制系統(tǒng)Fig.3　FDM control system

熔融沉積成型控制子系統(tǒng)介紹：1）熱熔噴頭控制；2）送絲機(jī)構(gòu)擠出控制；3）運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)掃描路徑控制；4）加熱成型室控制；5）設(shè)備運(yùn)動(dòng)控制.

2.1.1熱熔噴頭控制

熱熔噴頭是影響熔融沉積成型技術(shù)成型最重要影響因素之一，熱熔噴頭主要任務(wù)是控制加熱過(guò)程及內(nèi)部溫度，其次是調(diào)整噴嘴口徑大小.噴頭的溫度要求極其嚴(yán)格，溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致材料過(guò)熱，出現(xiàn)碳化及延流現(xiàn)象；溫度過(guò)低，無(wú)法將材料熱熔完全，影響打印效果.因此，噴頭加熱、溫度控制及噴嘴設(shè)計(jì)的控制很重要.

FDM熔融沉積成型技術(shù)中，噴頭的進(jìn)料方式主要有兩種：美國(guó)Stratasys公司開(kāi)發(fā)錐型螺桿噴頭［4］和柱塞式噴頭［5］.錐型螺桿的噴頭由第一級(jí)送料機(jī)構(gòu)、第二級(jí)加壓送料機(jī)構(gòu)、加熱和溫控裝置以及噴嘴組合而成，送絲機(jī)構(gòu)將材料送到第二級(jí)入口，由螺桿依靠額外的電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)送料.在噴頭的推廣和市場(chǎng)運(yùn)用上，錐型螺桿式噴頭占有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槁輻U式噴頭［6］結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便、易于實(shí)施并且能夠提高擠出材料的速度、粘度和流量的均勻性，有利于更快地構(gòu)造零件，提高快速制件的尺寸精度.Batchelder等研究出能夠提供動(dòng)態(tài)熔融流體流量控制的熱熔噴頭.整個(gè)系統(tǒng)包括機(jī)械驅(qū)動(dòng)裝置、送料裝備和熱熔噴頭，該噴頭分為多區(qū)域管理，可以讓熔融材料的溫度得到更好的控制，整體系統(tǒng)采用基于測(cè)量壓力的控制器組件配置，使得擠出材料流量驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和消耗材料進(jìn)給率成為閉環(huán)控制［7］.de Castro等探究了螺桿式噴頭在控制溫度、材料擠壓等工藝參數(shù)變化情況下的成型效果，指出螺旋擠壓噴頭可以讓FDM打印機(jī)在未來(lái)實(shí)現(xiàn)粉末材料打?。?］.彭勇剛等研發(fā)了一種基于多段溫度控制的FDM 3D打印噴頭及溫控方法［9］，利用打印噴頭各段溫度對(duì)應(yīng)漸變的控制方法，保證FDM打印材料時(shí)刻保持在可打印狀態(tài)，不會(huì)出現(xiàn)由于單一溫度控制，引起溫度過(guò)高或者過(guò)低造成的工層坍塌、破壞以及堵塞情況，避免了傳統(tǒng)打印噴頭堵塞和斷絲現(xiàn)象，提高了成型產(chǎn)品的質(zhì)量.隨著控制技術(shù)和溫度測(cè)量傳感技術(shù)的發(fā)展，更加精確的噴頭溫控得到保證.通用的溫度控制，采用可控硅和溫控器相結(jié)合，利用溫控器自帶的傳統(tǒng)PID算法來(lái)實(shí)現(xiàn)［10］，但是僅僅采用單一的PID控制方法，其閉環(huán)系統(tǒng)的魯棒性、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較慢，使得噴嘴溫度由常溫上升到給定值時(shí)間長(zhǎng)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢，影響加工效率、使得控制性能難以得到可靠保證；同時(shí)，在噴頭接近給定溫度時(shí)，沒(méi)有調(diào)整措施，使得超調(diào)量大，嚴(yán)重影響材料熔融效果，甚至出現(xiàn)材料碳化現(xiàn)象.模糊控制［11］的出現(xiàn)很好地彌補(bǔ)了PID控制的上述缺陷，模糊控制能較好解決被控對(duì)象非線(xiàn)性問(wèn)題，具有優(yōu)秀的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性和強(qiáng)魯棒性，使其成為控制領(lǐng)域的代表.但是，模糊控制也存在缺陷，由于模糊規(guī)則以及隸屬度函數(shù)的確定受限于等級(jí)設(shè)定，因此會(huì)存在過(guò)渡時(shí)間過(guò)長(zhǎng)等問(wèn)題.文獻(xiàn)［12］討論了模糊控制和PID控制各自的優(yōu)點(diǎn)，提出一種基于模糊—PID方法對(duì)GDM熱熔噴頭進(jìn)行溫度控制，通過(guò)對(duì)比單純的PID控制盒模糊控制，該方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：基本做到了無(wú)超調(diào)，只有升溫過(guò)程中稍有波動(dòng)，溫度的輸出值基本與給定值一致.文獻(xiàn)［13］提出了一種新的熔融成型技術(shù)，該技術(shù)可以產(chǎn)生連續(xù)的熔融滴狀流體.同時(shí)有一個(gè)熔料的儲(chǔ)集層，在噴嘴中引入一個(gè)感應(yīng)加熱系統(tǒng)，將金屬絲的尖端熔化，并在噴嘴處選擇適當(dāng)?shù)娜鄣瘟魉賄、功率N、壓力?P1、噴嘴孔直徑d0的穩(wěn)定噴射關(guān)系（如表2所示）.熔滴以穩(wěn)定的流速流出，使系統(tǒng)成為一個(gè)連續(xù)熔融滴流成型技術(shù).

2.1.2送絲機(jī)構(gòu)擠出控制

FDM技術(shù)的送絲機(jī)構(gòu)具有承上啟下作用，主要任務(wù)是在成型過(guò)程中，熔融狀態(tài)的材料不斷從噴嘴擠出，需要保證原始狀態(tài)的材料可靠地、勻速地進(jìn)入噴頭.送絲驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)采用一臺(tái)或多臺(tái)電機(jī)帶動(dòng)不同結(jié)構(gòu)的摩擦輪對(duì)材料驅(qū)動(dòng)，材料被驅(qū)動(dòng)進(jìn)入噴頭時(shí)對(duì)受熱熔融材料產(chǎn)生一定壓強(qiáng)，讓熔融絲材以穩(wěn)定的速度擠出.

表2　參數(shù)V，N，?P1和噴嘴孔直徑d0穩(wěn)定噴射關(guān)系Table 2　The stable jetting relations of the parameters V，N，?P1and diameter d0of the nozzle orifice

確保驅(qū)動(dòng)力足夠，首先應(yīng)該從裝置方面改進(jìn).增大摩擦輪的摩擦力將有效提高驅(qū)動(dòng)力.文獻(xiàn)［14］是Stratasys公司公開(kāi)的FDM技術(shù)3D打印機(jī)絲料盒與絲料盒接收器，在實(shí)例中可以防止細(xì)絲受潮.文獻(xiàn)［15］是Stratasys公司一種FDM系統(tǒng)，裝有驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，所述的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)用于供給細(xì)絲束以形成模型，其中電機(jī)采用精確伺服電機(jī)，包括編碼器，所述的驅(qū)動(dòng)輥為溝道設(shè)計(jì)，包含一系列鋸齒狀，用于增加摩擦系數(shù).文獻(xiàn)［16-17］介紹了不同驅(qū)動(dòng)輪的改進(jìn)和送絲驅(qū)動(dòng)力計(jì)算.文獻(xiàn)［16］基于主從輪驅(qū)動(dòng)，并提出主動(dòng)輪上開(kāi)V槽的改進(jìn)結(jié)構(gòu)，建議驅(qū)動(dòng)摩擦輪V槽卡角為30?C帶來(lái)的摩擦力最大.

國(guó)內(nèi)大多FDM打印機(jī)采用步進(jìn)電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)力，如華中科技大學(xué)研制的HRPR系列FDM打印機(jī)采用的Lakeside（雷賽）公司的步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器作為系統(tǒng)的執(zhí)行元件.由于步進(jìn)電機(jī)控制為開(kāi)環(huán)控制，啟動(dòng)頻率過(guò)高或負(fù)載過(guò)大易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，國(guó)外采用的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動(dòng)器可直接對(duì)電機(jī)編碼器反饋信號(hào)進(jìn)行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會(huì)出現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的丟步或過(guò)沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠.Ding等分析了送絲快速成型技術(shù)（Wire-feed AM technology），該技術(shù)使用的焊絲直徑0.2～1.2mm、激光功率為1.2kW和2.06kW時(shí)，焊絲進(jìn)料速度分別為1～2 米/分鐘，焊接尺寸在優(yōu)化的基礎(chǔ)上，力圖采取調(diào)整焊接參數(shù)的方法來(lái)解決“臺(tái)階效應(yīng)”［18］.文獻(xiàn)［19］基于模糊算法的伺服電機(jī)系統(tǒng)，研究了模糊算法在基于微處理器伺服電機(jī)控制的可能，對(duì)比了模型參考自適應(yīng)控制（Model reference adaptive control，MRAC）、PI控制算法后，通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和仿真總結(jié)得出：伺服電機(jī)由經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)者來(lái)設(shè)定模糊算法規(guī)則和期望值時(shí)，在穩(wěn)態(tài)誤差、響應(yīng)時(shí)間、穩(wěn)定時(shí)間等重要參數(shù)上有明顯的優(yōu)勢(shì).針對(duì)可能出現(xiàn)的絲材粗細(xì)不均勻、溫度引起的熔融狀態(tài)絲材阻力變化和抖動(dòng)等外部干擾，文獻(xiàn)［20-21］給出了自適應(yīng)滑動(dòng)模型控制，該研究設(shè)計(jì)了總滑塊模型系統(tǒng)，其對(duì)外界參數(shù)變化和外部環(huán)境干擾有很強(qiáng)的抵抗能力；通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了自適應(yīng)滑塊模型系統(tǒng)在控制伺服電機(jī)較總滑塊模型系統(tǒng)時(shí)有更好的抵抗外界干擾和防抖動(dòng)能力.

2.1.3運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)掃描路徑控制

影響熔融沉積成型模型制件精度以及翹曲形變的因素很多［22］，例如材料性能、噴頭溫度和成型室溫度影響、填充與擠出速度、三維軟件及掃描路徑等.FDM技術(shù)精確成型是需要整體協(xié)同配合，其中的掃描路徑從形態(tài)上直接影響模型質(zhì)量和加工效率，所以研究掃描路徑及優(yōu)化就顯得異常重要.

通常情況下，3D 打印模型處理流程如下［23］：1）建造三維模型，由三維設(shè)計(jì)軟件，設(shè)計(jì)出模型的CAD實(shí)體；2）模型的三角網(wǎng)絡(luò)化，模型設(shè)計(jì)后，專(zhuān)業(yè)CAD軟件都自帶轉(zhuǎn)換和輸出STL格式文件功能，STL文件是將模型用一系列小三角形平面逼近原型的處理，是3D打印領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)接口文件；3）對(duì)三維模型進(jìn)行切片處理，生成的STL文件模型在Z軸上用等間隔平面切出面片；4）掃描路徑的生成，在切除等間距面片后根據(jù)截面輪廓信息設(shè)計(jì)掃描路徑.一個(gè)優(yōu)秀的掃描路徑要做到如下幾個(gè)方面：首先，減少空行程，即減少掃描頭的跳轉(zhuǎn)次數(shù)；其次，減少拉絲現(xiàn)象；再次，成型時(shí)應(yīng)有好的強(qiáng)度，有利于減少層間應(yīng)力和翹曲變形；最后，優(yōu)化掃描機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)，減少噪音和震動(dòng)，即縮短成型時(shí)間并提高成型精度.Onuh等提出發(fā)散星形和對(duì)角發(fā)散星形掃描思想，該方法從圖形中間開(kāi)始掃描，采用X或Y方向以及對(duì)角填充方式［24］，這一方法也叫做并行掃描［25］可以減少整層的收縮應(yīng)力和削弱翹曲形變效應(yīng).然而，這一方式缺點(diǎn)也很明顯，將會(huì)導(dǎo)致高度的結(jié)構(gòu)各異性，即整個(gè)過(guò)程是非連續(xù)性路徑，方向的各異性引起頻繁的速度變化，同時(shí)增加了掃描路徑的空行程，使得整個(gè)成型時(shí)間增多.Wasser等介紹了一種退火算法構(gòu)造方式，允許單一路徑進(jìn)行連續(xù)填充任意形狀的橫截面，該方法將區(qū)域分為多個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)的數(shù)量取決于精度要求，采用最近區(qū)域優(yōu)先填充方法，減少了空行程的路徑，提高了掃描效率［26］.Kim和Bertoldi等采用Delaunay三角剖分算法將橫截面和將要填充的三角形空間分解為希爾伯特曲線(xiàn)，然而這種方法只適用于成型高度規(guī)則的對(duì)象，不適用于任意邊界對(duì)象［27-28］.文獻(xiàn)［29-30］構(gòu)建了輪廓平行掃描，運(yùn)用等軌跡生成算法來(lái)提高掃描效率和表層精度，該方式掃描線(xiàn)沿平行于邊界輪廓線(xiàn)的方向進(jìn)行掃描，此方法空行程少，但是這種掃描矢量生成算法設(shè)計(jì)多邊形的復(fù)雜操作，形成路徑時(shí)間過(guò)長(zhǎng).為了減小掃描路徑的起始和停止點(diǎn)，加強(qiáng)路徑規(guī)劃和表面精度要求，文獻(xiàn)［31］提出了一種路徑掃描算法能有效解決上述兩種問(wèn)題.首先，算法采用分治策略將二維幾何圖形分解為一組凸多邊形；隨后，對(duì)于每一個(gè)凸多邊形，使用Z字形和輪廓圖案策略組合的方式來(lái)確定最佳的掃描方向；最后，將所有的單獨(dú)子路徑連接形成一個(gè)封閉的曲線(xiàn)路線(xiàn).表3對(duì)比了已存在的混合路徑算法和所提出算法的路徑比較，一般情況下混合路徑算法根據(jù)幾何圖形不同的復(fù)雜度掃描路徑在6～11步數(shù)之間，而提出的算法掃描路徑步數(shù)為1.同時(shí)，路徑元素也大幅度降低，因此在該掃描路徑下，可以有效加強(qiáng)路徑規(guī)劃和表面精度.

圖4　表3中的路徑圖案Fig.4　Path patterns in Table 3

表3　已存在的混合路徑算法和所提出算法的路徑比較Table 3　Comparison of the proposed method with the existing hybrid method

2.1.4成型室溫度的控制

成型室溫度是指模型成型時(shí)，從噴頭擠出絲材時(shí)所處的工作室溫度.噴頭溫度和成型室溫度有一定關(guān)聯(lián)性，都需要控制在一定的合理范圍內(nèi)，它們共同影響著成型零件的熱應(yīng)力大小和表面精度質(zhì)量.

早期的研究大多集中在硬件設(shè)備的設(shè)計(jì)上. 1999年美國(guó)Stratasys公司最早提出成型室溫度控制，給出了關(guān)于材料冷卻時(shí)間與膨脹系數(shù)、應(yīng)力松弛量、粘度等的關(guān)系圖，指出擠出材料應(yīng)該以一種逐漸降溫冷卻的形式使溫度低于其凝固溫度才能使得模型翹曲形變和扭曲變形盡可能地減少［32］.得到最大允許梯度如下：

其中，線(xiàn)性梯度溫度dT/dz表示存在于特定材料中，層厚為h并指向z方向的溫度變化，α為恒定熱膨脹系數(shù)，r為圓柱的半徑，L為模型最大水平長(zhǎng)度，δ為最大許可幾何失真.

2004年，Stratasys公司設(shè)計(jì)了一種高溫控制模型裝置［33］：在模型成型時(shí)，成型室內(nèi)維持150?C.隨后，人們開(kāi)始運(yùn)用理論分析和軟件模擬控制模型的溫度變化情況.文獻(xiàn)［34］在Matlab軟件的基礎(chǔ)上，運(yùn)用鄰接矩陣算法模擬了兩種不同掃描情況下，熔融絲材的傳熱模型輸出效果，確定了熔融絲材隨著時(shí)間的推移溫度演變規(guī)律及熱應(yīng)力變化.然而，熔融沉積成型是一個(gè)材料從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的變形過(guò)程，整個(gè)過(guò)程中熱量的輸入和傳播貫穿其中.在文獻(xiàn)［34］的基礎(chǔ)上，相關(guān)研究人員又提出熔融沉積成型溫度場(chǎng)有限元模擬及分析.由于成型過(guò)程模擬屬于瞬態(tài)熱分析，并且是非線(xiàn)性問(wèn)題，計(jì)算難度較大.文獻(xiàn)［35-36］采用瞬態(tài)非線(xiàn)性熱傳導(dǎo)理論，應(yīng)用ANSYS的APDL語(yǔ)言基礎(chǔ)下，對(duì)ABS材料進(jìn)行了熔融沉積成型溫度場(chǎng)的有限元模擬，并得出了以下溫度場(chǎng)的分布規(guī)律：1）在X、Y方向下溫度場(chǎng)的分布較為均勻.2）在成型過(guò)程中，熱影響區(qū)域是逐漸增大的，開(kāi)始的時(shí)刻熱影響部分區(qū)域，溫度梯度大，隨后的時(shí)刻熱影響區(qū)域增大，溫度梯度減小.3）隨著成型過(guò)程的進(jìn)行，熱影響區(qū)域增加的情況下，溫度增加趨于緩和.

2.1.5設(shè)備運(yùn)動(dòng)控制

FDM系統(tǒng)中設(shè)備運(yùn)動(dòng)控制就猶如身體軀干一樣重要，從打印過(guò)程知道，F(xiàn)DM設(shè)備控制系統(tǒng)包括X、Y、Z三軸運(yùn)動(dòng).其中，X、Y軸帶動(dòng)噴頭在二維平面上掃描出路徑，Z軸帶動(dòng)工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)二維到三維的轉(zhuǎn)變.所以，三軸的精確定位和運(yùn)行速度將決定整個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的性能.

設(shè)備運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)包含兩個(gè)部件的運(yùn)動(dòng)控制，分別是噴頭的X、Y軸運(yùn)動(dòng)控制和工作臺(tái)Z軸運(yùn)動(dòng)控制，具體硬件設(shè)備由Stratasys公司注冊(cè)專(zhuān)利，文獻(xiàn)［37］設(shè)計(jì)了一種數(shù)字化可調(diào)裝配平臺(tái)制造系統(tǒng)，使用限位開(kāi)關(guān)，控制噴頭和平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)范圍，并且配有XY平面和Z方向的補(bǔ)償糾偏措施.此外，International Business Machines Corporation文獻(xiàn)［38］提出一種基于打印路徑和環(huán)境變化下微型計(jì)算機(jī)，自動(dòng)計(jì)算電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓值來(lái)控制設(shè)備的運(yùn)動(dòng)方法.接下來(lái)，研究人員從硬件配置和算法問(wèn)題來(lái)考慮設(shè)備運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng).文獻(xiàn)［39］提出了一種基于DSP數(shù)字化的控制應(yīng)用方法，該方法以PID控制算法為核心，硬件以Texas Instruments（TI）德州儀器的TMS320F2812（簡(jiǎn)稱(chēng)F2812）DSP為基礎(chǔ)，將PID控制算法運(yùn)行在DSP環(huán)境上，DSP自動(dòng)產(chǎn)生所需代碼和相應(yīng)的PWM脈沖寬度調(diào)制信號(hào)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行.DSP-2 RCP方案流程如圖5所示.

圖5DSP-2 RCP方框圖Fig.5　DSP-2 RCP block scheme

Ricci等設(shè)計(jì)了一種基于FPGA（Field programmable gate arrays）的快速成型技術(shù)變速調(diào)控平臺(tái)［40］，該設(shè)計(jì)使用FPGA現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列代替DSP作為控制器的實(shí)現(xiàn)形式，優(yōu)勢(shì)在于借助硬件仿真模型縮短了設(shè)計(jì)和成型時(shí)間，調(diào)試時(shí)間也可以相應(yīng)縮短.同時(shí)，采用FPGA控制平臺(tái)可以使用更為復(fù)雜先進(jìn)的控制算法，該設(shè)計(jì)就分別采用了模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自適應(yīng)控制算法控制電機(jī)和平臺(tái)的運(yùn)行.主從式控制系統(tǒng)有其獨(dú)特的實(shí)時(shí)性?xún)?yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在也運(yùn)用在快速成型技術(shù)上.清華大學(xué)［41］提出新型運(yùn)動(dòng)控制器（Motion controller，MCT），該控制器為系統(tǒng)的核心，工業(yè)控制機(jī)為系統(tǒng)支撐單元的雙CPU開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng).該系統(tǒng)采用功能強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)控制器MCT承擔(dān)插補(bǔ)計(jì)算、位置控制、速度控制等實(shí)施任務(wù)，滿(mǎn)足了快速成型技術(shù)對(duì)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的要求. 2.2光聚合成型控制系統(tǒng)

光聚合成型技術(shù)起源于上世紀(jì)80年代，是最早研發(fā)的3D打印成型技術(shù)之一.一直以來(lái)研究機(jī)構(gòu)持續(xù)對(duì)該技術(shù)進(jìn)行深入研究，使其成為技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛的一種3D打印成型技術(shù).光聚合成型技術(shù)包含：SLA（Stereo lithography appearance）立體光固化技術(shù)、PloyJet多頭噴射技術(shù)、DLP（Digital light processing）數(shù)字光處理等技術(shù)，下面主要介紹的是SLA立體光固化技術(shù).

SLA技術(shù)由工作臺(tái)升降系統(tǒng)、光敏樹(shù)脂液位檢測(cè)與控制系統(tǒng)、光敏樹(shù)脂涂層系統(tǒng)、激光掃描系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)等部分組成，如圖6所示.成型開(kāi)始時(shí)，光敏樹(shù)脂液位檢測(cè)與控制系統(tǒng)將液面下降一個(gè)確定的高度，使得液面處于激光的聚焦平面上，激光掃描系統(tǒng)按照計(jì)算機(jī)的指令進(jìn)行聚焦并控制振鏡式激光掃描控制系統(tǒng)按照設(shè)定路徑逐點(diǎn)掃描，即進(jìn)行逐層點(diǎn)固化.當(dāng)一層掃描完成后，未掃描到的部分光敏樹(shù)脂仍為液體狀態(tài)，光敏樹(shù)脂液位檢測(cè)與控制系統(tǒng)再下降一層高度，此時(shí)光敏樹(shù)脂涂層系統(tǒng)使已成型層面上布滿(mǎn)一層光敏樹(shù)脂，刮平器將粘度較大的樹(shù)脂液面刮平，然后再進(jìn)行下一層的掃描，新固化的一層牢固地粘在前一層上，如此重復(fù)直到整個(gè)零件制造完畢，得到一個(gè)三維實(shí)體模型.

下面介紹上述控制子系統(tǒng)的研究概況：1）振鏡式激光掃描控制；2）激光掃描路徑控制；3）光敏樹(shù)脂液位檢測(cè)與控制；4）光敏樹(shù)脂涂層控制；5）成型精度誤差控制.

2.2.1振鏡式激光掃描控制

3D打印技術(shù)最初研發(fā)過(guò)程，研發(fā)人員便試圖將激光加工技術(shù)的理念引入，即激光固化光敏樹(shù)脂成型.激光掃描系統(tǒng)［42］由激光器、掃描器件、光路轉(zhuǎn)換器件、接收裝置及需要的反饋系統(tǒng)構(gòu)成.光束掃描在工作區(qū)域是由掃描器件接收控制信號(hào)完成，掃描器件分為許多種，例如：機(jī)械式繪圖掃描器、聲光偏轉(zhuǎn)器件、振鏡掃描器件等，而振鏡式掃描系統(tǒng)由于快速、高精度等性能特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于3D打印技術(shù)中.本節(jié)將介紹振鏡式激光掃描控制系統(tǒng).

振鏡式激光掃描控制經(jīng)過(guò)多年的研究，發(fā)展相對(duì)成熟，特別是德國(guó)的ScanLab公司以及美國(guó)的GSI公司、Nutfield公司等出售振鏡掃描系統(tǒng)，價(jià)格十分昂貴，國(guó)內(nèi)的上海通用掃描公司、北京世紀(jì)桑尼科技有限公司是國(guó)產(chǎn)振鏡掃描系統(tǒng)的制造公司.目前，振鏡式激光掃描系統(tǒng)應(yīng)用最多的領(lǐng)域是激光打標(biāo)、激光快速成型以及激光的掃描與顯示，例如在3D打印中的立體光固化技術(shù)就是采用振鏡式激光掃描系統(tǒng)，使整個(gè)成型系統(tǒng)能夠高效、快速、高性能成型.振鏡掃描是光機(jī)掃描方式，即控制機(jī)械裝置的運(yùn)動(dòng)來(lái)掌握光束的偏轉(zhuǎn)，完成激光光束在掃描界面的移動(dòng).振鏡式激光掃描系統(tǒng)［43-44］主要有兩種：第一種是利用F-Theta透鏡聚焦方式，也稱(chēng)二維振鏡式激光掃描系統(tǒng)（靜態(tài)聚焦系統(tǒng)）一種專(zhuān)業(yè)的透鏡系統(tǒng)，其工作原理如圖7所示，目的是將激光束在整個(gè)平面內(nèi)形成均勻大小的聚焦光斑；第二種是動(dòng)態(tài)聚焦方式的三維振鏡式激光掃描系統(tǒng)（動(dòng)態(tài)聚焦系統(tǒng)），具體應(yīng)用根據(jù)實(shí)際掃描視場(chǎng)、工作面聚焦光斑的大小、性?xún)r(jià)比、工作距離等方面來(lái)決定使用哪種聚焦系統(tǒng).

圖6　光聚合成型控制系統(tǒng)Fig.6　SLA forming control system

圖7　F-Theta透鏡聚焦方式Fig.7　F-Theta lens focusing method

文獻(xiàn)［45-46］針對(duì)聚焦系統(tǒng)位置的不同，把二維振鏡式掃描又分成了兩種掃描類(lèi)型，即物鏡前掃描方式和物鏡后掃描方式.物鏡前掃描指光束先經(jīng)過(guò)偏轉(zhuǎn)器偏轉(zhuǎn)，然后由F-Theta透鏡將光束聚焦；物鏡后掃描指光束先經(jīng)過(guò)F-Theta透鏡聚焦后，再通過(guò)偏轉(zhuǎn)器將光束進(jìn)行偏轉(zhuǎn)掃描.動(dòng)態(tài)聚焦方式相對(duì)于靜態(tài)聚焦方式采用的控制方式更加復(fù)雜，動(dòng)態(tài)聚焦方式的振鏡式激光掃描系統(tǒng)［47］原理：激光器發(fā)射光束經(jīng)過(guò)擴(kuò)束鏡，得到一系列平行光束，光束通過(guò)動(dòng)態(tài)聚焦系統(tǒng)的聚焦以及物鏡組的光學(xué)放大后，依次投射到X軸和Y軸振鏡上，經(jīng)過(guò)兩個(gè)振鏡的二次反射到工作臺(tái)面上，形成掃描平面上的掃描點(diǎn).如果立體光固化技術(shù)的成型尺寸大于1000cm3，并且要求成型精度非常高的情況下，這時(shí)候需要采用動(dòng)態(tài)聚焦的掃描系統(tǒng)，文世峰深入研究了將動(dòng)態(tài)聚焦振鏡激光掃描系統(tǒng)應(yīng)用在立體光固化成型技術(shù)上的可行性，分析了基于PC的數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入圖像的復(fù)雜插補(bǔ)算法、數(shù)據(jù)的模型轉(zhuǎn)換、圖形校正算法以及通過(guò)中端控制方式實(shí)現(xiàn)對(duì)插補(bǔ)后的掃描點(diǎn)高速、準(zhǔn)確地定位控制，并通過(guò)對(duì)焦距進(jìn)行動(dòng)態(tài)的調(diào)節(jié)，確保在工作時(shí)整個(gè)掃描工作區(qū)域的掃描點(diǎn)都處于焦點(diǎn)位置.振鏡式激光掃描控制系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)用中會(huì)出現(xiàn)圖形掃描的線(xiàn)性失真和非線(xiàn)性失真現(xiàn)象［48-49］，隨著掃描圖形尺寸增大，模型成型質(zhì)量將會(huì)受到影響.基于上述問(wèn)題，文獻(xiàn)［50］應(yīng)用了一種針對(duì)3D打印技術(shù)中振鏡式激光掃描系統(tǒng)的二次曲線(xiàn)擬合校正算法，一方面消除激光在圖形掃描中出現(xiàn)的線(xiàn)性失真和非線(xiàn)性失真；另一方面可以校正激光掃描過(guò)程中產(chǎn)生的綜合誤差.當(dāng)激光發(fā)射至工作平面上任一點(diǎn)（x，y）時(shí)，能夠得到激光在整個(gè)平面上的掃描軌跡函數(shù)為

表4　振鏡校正實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 4　Vibrating mirror calibration experiment data

2.2.2激光掃描路徑控制

立體光固化技術(shù)的成型精度依賴(lài)激光掃描的控制方式，對(duì)于掃描路徑系統(tǒng)而言，系統(tǒng)的掃描精度、重復(fù)定位精度、穩(wěn)定性和激光的強(qiáng)度控制非常關(guān)鍵［51］.

激光掃描特點(diǎn)：掃描速度快、轉(zhuǎn)角范圍大、精度高、易于控制等，是立體光固化技術(shù)理想的掃描器.激光掃描的關(guān)鍵性能指標(biāo)分別是漂移誤差、光束強(qiáng)度檢測(cè)、激光準(zhǔn)確定位精度.針對(duì)這三個(gè)性能指標(biāo)，美國(guó)3D Systems公司設(shè)計(jì)了一種立體光固化技術(shù)的漂移定期校正裝置和方法，該裝置采用光束傳感器和光電探測(cè)器確定漂移誤差，并通過(guò)漂移校正算法補(bǔ)償漂移誤差和指針機(jī)構(gòu)重復(fù)性?huà)呙璧木葐?wèn)題［52］；還設(shè)計(jì)了一種立體光固化技術(shù)的光束強(qiáng)度和功率檢測(cè)裝置和方法，設(shè)備通過(guò)光束分析傳感器對(duì)光束移動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)，計(jì)算機(jī)借助相關(guān)軟件控制光束掃描機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，使光束傳過(guò)設(shè)備分析傳感器小孔檢測(cè)出光束寬度和深度分布強(qiáng)度情況［53］.表示如下：

式中，k為功率校正因子.element為點(diǎn)在（m，n）陣列上光束測(cè)量部分，每個(gè)element（m，n）有一個(gè)強(qiáng)度讀數(shù) I（m，n）在單位功率或強(qiáng)度下，element（m，n）為

當(dāng)光束以v（mm/s）勻速沿著y軸移動(dòng)時(shí)，總行程為s，曝光和能量均勻的情況下：

式中，SS和SP為速度V的相應(yīng)參數(shù)，

當(dāng)曝光在（m，z=0）條件下時(shí)，

對(duì)于任意位置x（m），固化深度Zc（m）如下所示：

Spence ST和Almquist TA設(shè)計(jì)了一種用于立體光固化技術(shù)激光校準(zhǔn)和規(guī)范化的裝置和方法［54］，該裝置帶有多個(gè)傳感器并固定在工作介質(zhì)指定表面，利用線(xiàn)性?xún)?nèi)插技術(shù)指定特定工作表面，該定位方式使激光準(zhǔn)確定位在指定的工作區(qū)域表面.隨著科技發(fā)展，更多的研究人員加入到提高激光掃描的性能指標(biāo)研究中，文獻(xiàn)［55-56］提出了激光光斑位置漂移校正方法，目的是補(bǔ)償掃描系統(tǒng)零點(diǎn)漂移和增益漂移誤差，并且設(shè)計(jì)了一整套檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用反饋調(diào)節(jié)，使激光光斑位置漂移得到及時(shí)校正.文獻(xiàn)［57］提出了在加式制造中的激光性能控制的實(shí)現(xiàn)方法，工業(yè)制造過(guò)程中，對(duì)產(chǎn)品的品質(zhì)要求非常高，產(chǎn)品制造過(guò)程中有許多品質(zhì)管理模塊（如粉末質(zhì)量、溫度控制、激光路徑分析與控制、氣體過(guò)程控制等），文章根據(jù)內(nèi)聯(lián)過(guò)程控制提供先進(jìn)性決策來(lái)提供實(shí)時(shí)可靠的激光路徑分析與控制.

文獻(xiàn)［58］消除加速度變化引起的過(guò)固化影響，在振鏡掃描系統(tǒng)加速、減速階段的掃描特性研究的基礎(chǔ)上，提出了勻速掃描固化概念.通過(guò)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了不同掃描速度下勻速掃描的時(shí)間范圍、空間區(qū)域以及向量端點(diǎn)外延距離的計(jì)算公式，隨后，用控制軟件實(shí)現(xiàn)了勻速掃描固化.文獻(xiàn)［59］設(shè)計(jì)了提高激光掃描路徑精度和效率的方法.文獻(xiàn)首先分析激光掃描路徑出現(xiàn)的4個(gè)問(wèn)題：1）相關(guān)端點(diǎn)模糊（激光掃描時(shí)由于路徑跳轉(zhuǎn)存在空行程，在空行程路徑上由于激光光束關(guān)閉不及時(shí)造成的光束影響）；2）慣性效應(yīng)（在使用旋轉(zhuǎn)鏡頭時(shí)慣性影響，最終使需要的尖角成為了弧線(xiàn)段）；3）閃爍效應(yīng)（激光不能在屏幕上形成穩(wěn)定的圖形）；4）激光強(qiáng)度不規(guī)律變化（激光光束能量和速度調(diào)節(jié)不合理造成）.針對(duì)上述問(wèn)題通過(guò)空行程的優(yōu)化、減少空行程路徑、拐角行走路徑優(yōu)化、增加激光開(kāi)關(guān)所需的延時(shí)等手段，同時(shí)采用深度優(yōu)先搜索算法以及Hierholzer算法，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該方法提高激光掃描路徑的精度和效率.

2.2.3光敏樹(shù)脂液位檢測(cè)與控制

從立體光固化成型技術(shù)的原理可知光敏樹(shù)脂液位的穩(wěn)定性是保證其成型精度的重要指標(biāo).在模型打印過(guò)程，如果光敏樹(shù)脂液位變化沒(méi)有得到及時(shí)檢測(cè)與控制，將會(huì)造成模型的形狀誤差.研究表明［60］，若液位過(guò)低，固化層厚將小于設(shè)定液位層厚，引起模型的形狀誤差，發(fā)生模型過(guò)固化.如果固化層厚大于設(shè)定液位層厚，會(huì)導(dǎo)致固化不完全，層間粘黏力小，模型易被剝離.因此，液位的穩(wěn)定性對(duì)于加工順利起關(guān)鍵性作用，必須對(duì)液位的高度進(jìn)行嚴(yán)格的檢測(cè)和控制.

光敏樹(shù)脂液位檢測(cè)與控制采用激光三角法［61］非接觸式激光距離檢測(cè)技術(shù)，激光三角法按照光線(xiàn)入射方式又可以分為直射式和斜射式.立體光固化成型技術(shù)利用直射式檢測(cè)樹(shù)脂液面高度，F(xiàn)arnsworth設(shè)計(jì)了一種直射式液面深度精確控制的方法和裝置，由計(jì)算機(jī)控制激光測(cè)距儀系統(tǒng)直射入液面，實(shí)現(xiàn)立體光固化液位閉環(huán)控制.直射式檢測(cè)方法容易受到外界光照干擾，而且本身發(fā)射的激光因?yàn)樯⑸湓?，只有部分光?jīng)反射接收，測(cè)量精度不高，斜射式檢測(cè)方法能有效解決這一問(wèn)題［62］. 1993年美國(guó)3D Systems公司提出立體光固化成型技術(shù)，采用斜射式檢測(cè)樹(shù)脂液面高度［63］，設(shè)計(jì)了一種用于檢測(cè)和控制光敏樹(shù)脂液位的方法和儀器，液位的檢測(cè)采用激光非接觸發(fā)射檢測(cè)法，目前立體光固化成型技術(shù)的液位檢測(cè)基本采取這種方法.該方法的裝置由半導(dǎo)體激光器、位置敏感探測(cè)器（Position sensitive detectors，PSD）、A/D轉(zhuǎn)換器、機(jī)械裝置和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等組成.液位的高度通過(guò)激光光斑的位置來(lái)獲得的，即激光以一固定角度入射，經(jīng)發(fā)射的光到投影屏上，通過(guò)控制反射光的高度達(dá)到控制液面的高度，通過(guò)PSD探測(cè)液位高度，調(diào)整好光路后，我們就根據(jù)液位控制目標(biāo)的要求確定一合理的閾值.立體光固化成型技術(shù)，要求能檢測(cè)出液位0.05mm左右的變化，PSD的位置分辨率可達(dá)到6微米.

在立體光固化成型過(guò)程，液態(tài)光敏樹(shù)脂固化成型后，將會(huì)發(fā)生體積收縮，引起液位變化，當(dāng)PSD檢測(cè)到液位波動(dòng)超出閾值范圍內(nèi)時(shí)，需要對(duì)液位進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制.目前，立體光固化成型設(shè)備液位控制方法最主要方式有三種：溢流式、容積調(diào)節(jié)式和液槽升降式.1993年索尼公司申請(qǐng)了立體光固化樹(shù)脂溢流式液位控制系統(tǒng)［64］，該系統(tǒng)包括一個(gè)主液槽和補(bǔ)充罐，溢流式控制法通過(guò)主液槽和補(bǔ)充槽內(nèi)的液體相互流動(dòng)，補(bǔ)充槽向主液槽內(nèi)添加光敏樹(shù)脂，使主液槽內(nèi)的樹(shù)脂達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，這是一種簡(jiǎn)單可靠的開(kāi)環(huán)設(shè)計(jì)方式.但是，當(dāng)光敏樹(shù)脂粘度和表面張力發(fā)生變化時(shí)，上述設(shè)計(jì)難以滿(mǎn)足液位穩(wěn)定控制要求. Almquist等設(shè)計(jì)了一種容積調(diào)節(jié)式液位控制方法和裝置［63］，裝置包括：一個(gè)主液槽和一個(gè)與其相連的浮筒，通過(guò)浮筒的上下運(yùn)動(dòng)改變主液槽內(nèi)的容積從而調(diào)節(jié)液位，達(dá)到控制目的.浮筒運(yùn)動(dòng)由液位檢測(cè)信號(hào)和設(shè)定值比較確定，該方式為閉環(huán)控制，缺點(diǎn)是響應(yīng)速度慢，并且當(dāng)浮筒體積不夠時(shí)無(wú)法有效補(bǔ)充樹(shù)脂.美國(guó)3D Systems公司的SLA 250型號(hào)即采用這種方式控制液位［60］.3D Systems公司于2005年設(shè)計(jì)了一種液槽升降式液位控制系統(tǒng)［60，65］，該系統(tǒng)是3D Systems公司目前使用的液位控制系統(tǒng)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制液槽的升降來(lái)調(diào)節(jié)液位高度，控制方式速度快，但總體成本達(dá)到幾十萬(wàn)至上百萬(wàn)人民幣，需要穩(wěn)定性很好的升降驅(qū)動(dòng)系統(tǒng).

2.2.4光敏樹(shù)脂涂層技術(shù)控制

立體光固化技術(shù)實(shí)質(zhì)上是由激光層固化和涂層技術(shù)不斷重復(fù)，因此涂層技術(shù)（Recoating technology）也是立體光固化成型的重要步驟之一.涂層技術(shù)［66］是為了確保激光掃描前在已經(jīng)固化層上鋪灑一層均勻?qū)雍竦墓饷魳?shù)脂，并且保持液面穩(wěn)定.立體光固化技術(shù)使用的光敏樹(shù)脂材料，是一種高分子聚合物，特點(diǎn)是粘度大、流動(dòng)性差、固化后表面張力大.如果只依靠光敏樹(shù)脂液位恢復(fù)時(shí)的自由流動(dòng)，鑒于表面張力和流動(dòng)性差等原因，很難在先前固化層表面自動(dòng)覆蓋一層光敏樹(shù)脂，特別是紋理比較復(fù)雜和大面積范圍涂層顯得更加明顯，材料無(wú)法覆蓋使得模型精度難以保證，甚至造成模型的損壞.因此，涂層技術(shù)的運(yùn)用是立體光固化技術(shù)成型精度和效率要求的可靠保障.

20世紀(jì)90年代末，3D Systems公司提出了立體光固化技術(shù)，涂層技術(shù)隨之產(chǎn)生［67］.該公司設(shè)計(jì)了一種自由液面刮板涂層技術(shù)，每層固化后，計(jì)算機(jī)控制托盤(pán)多下降一段距離，光敏樹(shù)脂可在短時(shí)間內(nèi)完全淹沒(méi)固化表面，然后控制托盤(pán)提升到高于液面位置，利用刮板將多余光敏樹(shù)脂刮除，使剩余層厚更接近設(shè)定的期望層厚.然而，由于托盤(pán)下降的原因，這種控制方式容易產(chǎn)生氣泡，并且模型幾何形狀不同以及光敏樹(shù)脂的粘度高，刮板會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的光敏樹(shù)脂拖拽現(xiàn)象，導(dǎo)致精度不高.隨后，3D Systems公司改進(jìn)了這一方案［68］解決了刮板拖拽現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了一種帶開(kāi)口和三叉戟的刮板，控制刮板通過(guò)速度，使拖拽現(xiàn)象緩解.但是兩種設(shè)計(jì)將不可避免產(chǎn)生“回冒”［69］現(xiàn)象，即由于慣性的作用，使得多余被刮走的光敏樹(shù)脂在刮板上涌起波浪.1996 年3D Systems公司推出的SLA-350改變了樹(shù)脂涂層方法，采用真空吸附式涂層刮板結(jié)構(gòu)和涂層系統(tǒng)（ZephyrTMrecoating system）［70］.文獻(xiàn)［71］利用了一種真空吸附式涂層技術(shù)，裝置包括微型真空泵、含液式涂層板等部件，這種控制方式托板下降一層厚距離，計(jì)算機(jī)控制真空泵吸附的光敏樹(shù)脂量，均勻鋪灑在已固化模型表層，提高了樹(shù)脂涂層效率，在計(jì)算機(jī)行程控制下步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)含液涂層板的涂敷動(dòng)作，通過(guò)皮帶輪沿不銹鋼導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)不同速度、不同位移的涂層運(yùn)動(dòng).為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)涂層運(yùn)動(dòng)參數(shù)的優(yōu)化提供了可能，采用該方法涂層厚度最小可以達(dá)到0.025mm，并且可以有效地避免氣泡的產(chǎn)生.文獻(xiàn)［72］設(shè)計(jì)了新的掩膜圖像投影光固化過(guò)程，該技術(shù)提出了數(shù)字材料制造工藝，可在光固化技術(shù)中使用多材料成型，提出了一種新的雙通道設(shè)計(jì)，大大降低了固化層與樹(shù)脂的分離力，采用兩級(jí)樹(shù)脂清洗策略（粗糙清洗、精細(xì)清洗）和涂層技術(shù)結(jié)合的方法，避免多材料樹(shù)脂相互污染，該工藝可以用在兩種及以上材料混合成型.

國(guó)內(nèi)的西安交通大學(xué)研制出一種瀑布式光敏樹(shù)脂涂層裝置［73］，如圖8所示.該設(shè)計(jì)方法在模型打印過(guò)程中，由于光敏樹(shù)脂的體積固化收縮，每固化一層后，托盤(pán)下降一層，刮板涂層噴頭完成樹(shù)脂涂層，即通過(guò)控制噴頭流量及其移動(dòng)來(lái)完成固化表面的樹(shù)脂補(bǔ)充.整個(gè)過(guò)程中，噴頭僅完成光敏樹(shù)脂補(bǔ)充作用，此時(shí)涂層厚度略大于固化所需厚度，再通過(guò)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的刃口形狀刮板刮走多余樹(shù)脂，達(dá)到平穩(wěn)液面作用.同時(shí)，該涂層控制方法也指出其不足之處，即裝置工作時(shí)需要提高刮削速度，但這一措施使得刮板上堆積的樹(shù)脂來(lái)不及回流擴(kuò)散.

圖8　瀑布式光敏樹(shù)脂涂層裝置Fig.8　Photosensitive resin recoating device of waterfall type

涂層技術(shù)的速度和參數(shù)控制是重要的部分.在速度控制上，如果涂層速度慢，雖然精度上能夠滿(mǎn)足模型打印的條件，在涂層時(shí)間等待過(guò)程中激光器一直維持打開(kāi)的狀態(tài)，這樣會(huì)降低激光器使用壽命；如果速度過(guò)快，涂層過(guò)程將形成“后跟（Heel）”問(wèn)題，如圖9所示.文獻(xiàn)［74］采用3D Systems公司SLA-250，光敏樹(shù)脂采用Cibatool SL 5170作為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)立體光固化3D打印機(jī)的運(yùn)行速度往往比廠(chǎng)家設(shè)定的速度更高，而不會(huì)引起模型精度損失.

圖9　樹(shù)脂鋪灑速度過(guò)快形成后跟現(xiàn)象Fig.9　Resin spread fast forming the heel phenomenon

2.2.5成型精度誤差控制

立體光固化技術(shù)是精度最高的3D打印技術(shù)之一，因此提高立體光固化技術(shù)精度引起了3D打印技術(shù)行業(yè)的高度關(guān)注，從業(yè)人員期待在立體光固化精度誤差控制上產(chǎn)生重大突破.立體光固化技術(shù)成型過(guò)程包括［75］：前期數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、成型加工和后處理過(guò)程，如圖10所示.

圖10　立體光固化技術(shù)成型流程圖Fig.10　Stereo lithography appearance molding chart

成型精度誤差主要有表面精度誤差、形狀精度誤差以及尺寸精度誤差.表面精度誤差主要在前期數(shù)據(jù)準(zhǔn)備時(shí)，對(duì)實(shí)物的三維CAD模型進(jìn)行STL格式化和分層切片逼近導(dǎo)致，也被稱(chēng)為臺(tái)階效應(yīng).臺(tái)階效應(yīng)［76］無(wú)法被消除，只能盡量減小層厚使誤差變小，然而這會(huì)相應(yīng)增加數(shù)據(jù)處理時(shí)間.文獻(xiàn)［77］提出了一種基于產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)（Standard for the exchange of product model data，STEP）的在CAD系統(tǒng)外直接對(duì)CAD模型進(jìn)行非均勻自適應(yīng)分層的方法.根據(jù)模型的表面形狀，當(dāng)模型表面傾斜大時(shí)，選擇0.1mm的層厚；反之，選擇0.2mm以上的層厚.這樣自動(dòng)改變層厚提高成型精度.形狀精度誤差的產(chǎn)生主要由翹曲形變［78］及局部缺陷帶來(lái).翹曲形變的發(fā)生在成型過(guò)程中，液態(tài)光敏樹(shù)脂在激光束照射下發(fā)生光交聯(lián)反應(yīng)，導(dǎo)致固化聚合過(guò)程中體積收縮，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力導(dǎo)致模型產(chǎn)生形變（指當(dāng)外部荷載去掉以后，仍殘存在物體內(nèi)部的應(yīng)力.它是由于材料內(nèi)部宏觀(guān)或微觀(guān)的組織發(fā)生了不均勻的體積變化而產(chǎn)生的）.目前主要有兩種方法可以控制翹曲形變：1）改進(jìn)材料配方的方法［79］，來(lái)控制光固化過(guò)程中產(chǎn)生的體積收縮，從而提高成型精度；2）Jacobs提出的“二次曝光法”原理［80］，具體操作是：首先，以臨界掃描速度Vc對(duì)固化層進(jìn)行第一次掃描，首次掃描完成后會(huì)在液面上形成一個(gè)厚度略小于分層厚度的固化的薄層，這個(gè)薄層并不與下面已固化的模型粘接.這樣，經(jīng)過(guò)第一次掃描形成的薄層將會(huì)自由收縮，而不會(huì)與已固化的實(shí)體相互干擾，也就不會(huì)產(chǎn)生層間應(yīng)力；然后，以透射速度Vp對(duì)固化層進(jìn)行第二次掃描，用來(lái)將薄層與下面已固化的模型部分粘接起來(lái).因?yàn)榈诙喂袒囊簯B(tài)光敏樹(shù)脂厚度很薄，所以其固化時(shí)產(chǎn)生的層間應(yīng)力小，因而比起傳統(tǒng)固化方法可以有效地降低翹曲形變的發(fā)生.二次曝光法主要是要確定臨界掃描速度Vc和透射速度Vp，這也是該方法的難點(diǎn).由于第一次曝光時(shí)薄層未能與已固化模型粘接起來(lái)，所以層與層之間存在漂移錯(cuò)位，使得模型側(cè)壁變得凹凸不平，嚴(yán)重影響了成型表面精度.西安交通大學(xué)提出“改進(jìn)型二次曝光法”［81］，該方法在原有二次曝光法的基礎(chǔ)上，先確定掃描區(qū)域內(nèi)的連通域個(gè)數(shù)；再在每個(gè)連通域以透射掃描速度Vp掃描出初始的5條線(xiàn)，用來(lái)把薄層和已固化模型粘接起來(lái)；隨后的過(guò)程與二次曝光法相同.該方法保留了傳統(tǒng)二次曝光法翹曲變形小的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也能彌補(bǔ)層間漂移等缺點(diǎn).文獻(xiàn)［81］利用了Tem01光強(qiáng)分布，并用高斯函數(shù)來(lái)描述Tem01光束的光斑半徑和能量分布函數(shù)I：

式中，r是徑向變量，ωOS表示截面的基模光斑半徑，PL為激光功率.固化深度公式Cd：

式中，E0為入射能量密度；Ec為臨界曝光密度；Dp為透射深度.當(dāng)衰減為入射能量密度的時(shí)的固化深度：

式中，Vs為光斑掃描速度.模型成型后還有一個(gè)后處理過(guò)程［82］，特別是去除支撐結(jié)構(gòu)以及提高表面光潔度的處理措施，需要嚴(yán)格執(zhí)行相應(yīng)操作流程，否則會(huì)造成形狀和尺寸精度的誤差.

2.3激光粉末成型技術(shù)控制系統(tǒng)

激光粉末成型技術(shù)包含：SLS（Selective laser sintering）選擇性激光燒結(jié)技術(shù)、DMLS（Direct metal laser sintering）直接金屬激光燒結(jié)技術(shù)、SLM（Selective laser melting）選擇性激光熔化成型技術(shù)以及EBM（Elctron beam melting）電子束熔煉技術(shù)等.激光粉末成型技術(shù)通常的改進(jìn)方式為：提高能量來(lái)源或者減小粉末顆粒大小.激光粉末成型技術(shù)由激光掃描系統(tǒng)、振鏡式掃描控制、成型缸升降系統(tǒng)、鋪粉控制系統(tǒng)、預(yù)熱控制系統(tǒng)以及驅(qū)動(dòng)裝置等［83］組成，如圖11所示.專(zhuān)利［84-85］介紹了激光粉末成型的控制過(guò)程：成型開(kāi)始時(shí)，鋪粉控制系統(tǒng)將粉末均勻鋪灑在成型缸升降系統(tǒng)上，并用鋪粉輥將粉末均勻壓實(shí).隨后，預(yù)熱控制系統(tǒng)將壓實(shí)的粉末均勻預(yù)熱達(dá)到打印溫度，計(jì)算機(jī)根據(jù)原型的切片模型控制激光掃描系統(tǒng)和振鏡式掃描系統(tǒng)進(jìn)行二維軌跡掃描，有選擇地?zé)Y(jié)固體粉末材料以形成零件的一個(gè)層面.粉末完成一層后，成型缸升降系統(tǒng)下降一個(gè)層厚，由鋪粉控制系統(tǒng)重新鋪上新粉，再對(duì)新粉用鋪粉輥壓實(shí)以及預(yù)熱后，激光束再掃描燒結(jié)新層.如此循環(huán)往復(fù)，層層疊加，直到三維零件成型.最后，將未燒結(jié)的粉末回收到粉末缸中，并取出成型件.

這里將介紹激光粉末材料燒結(jié)/熔化成型控制子系統(tǒng)包括：1）鋪粉控制；2）粉末預(yù)熱控制；3）成型精度影響及控制.

圖11　激光粉末成型技術(shù)控制系統(tǒng)Fig.11　Selective laser sintering forming control system

2.3.1鋪粉控制

鋪粉控制系統(tǒng)是整個(gè)技術(shù)的核心組成部分之一.鋪粉的厚度、表面平整度、鋪粉致密度和精確度都對(duì)加工結(jié)果有著影響，也是影響最終成型精度的主要因素.因此，鋪粉控制系統(tǒng)的整體自動(dòng)化性能和各部分的協(xié)同工作要求非常高.常用的鋪粉控制系統(tǒng)：刮板式、反轉(zhuǎn)輥軸式、反轉(zhuǎn)輥軸和刮板結(jié)合、正向輥軸式、正向輥軸和刮板結(jié)合、移動(dòng)漏斗、振動(dòng)式鋪粉系統(tǒng).文獻(xiàn)［72，86］根據(jù)粉體的堆積密度和粉體的表面質(zhì)量參數(shù)，對(duì)不同鋪粉控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，使用22mm直徑反轉(zhuǎn)輥軸式系統(tǒng)可以得到最高的密度（1.2gr/cm3），同時(shí)表面質(zhì)量最優(yōu)；正向輥軸和刮板結(jié)合可以得到高密度（1.0gr/cm3），但是這對(duì)組合需要完善的設(shè)置，防止粉末表面失真.其中刮板式鋪粉系統(tǒng)雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于控制，但是粉末的致密度低（0.7gr/cm3）；輥軸式鋪粉系統(tǒng)可以提高粉末的致密度（0.9gr/cm3）；移動(dòng)式漏斗采用直接鋪灑粉末，沒(méi)有壓實(shí)作用，因此粉末的致密度低（0.7gr/cm3）.

美國(guó)3D Systems公司設(shè)計(jì)了一種選擇性激光燒結(jié)粉末輔助處理系統(tǒng)［87［89］，這種裝置采用全密閉空間的成型室，成型室內(nèi)有三個(gè)（左中右排列）活塞系統(tǒng)（三缸鋪粉系統(tǒng)），如圖12所示.活塞系統(tǒng)裝載著粉末，中間的活塞系統(tǒng)是激光能夠照射到的成型室，也稱(chēng)為工作活塞，左右兩個(gè)活塞系統(tǒng)分別是供粉活塞.具體工作方式為：當(dāng)中間工作活塞的最上層被激光燒結(jié)之后，左邊的活塞向上推出一定量粉末，由自身反轉(zhuǎn)的輥軸進(jìn)行水平移動(dòng)鋪粉，而右端的活塞向下移動(dòng)留下一定空間，使得輥軸在鋪粉完成后可以將多余的粉末推到右邊活塞系統(tǒng)中完成粉末的回收，這個(gè)系統(tǒng)減少了成型室內(nèi)的粉末量，加快了粉末的輸送.在合理的設(shè)計(jì)下左右兩邊活塞可以提供多種材料.一般情況下，人們將粉末分為三種類(lèi)型：新鮮粉末（在活塞系統(tǒng)內(nèi)未使用過(guò)的粉末）、溢出粉末（燒結(jié)過(guò)程中未被燒結(jié)到的粉末）、不合格粉末（燒結(jié)過(guò)程中距離激光燒結(jié)區(qū)域太近粉末）.上述系統(tǒng)無(wú)法將不合格粉末去除，同時(shí)由于一些細(xì)小的粉末懸浮在內(nèi)部造成污染和損害，這部分懸浮粉末也無(wú)法被回收.根據(jù)上述問(wèn)題，3D Systems公司改進(jìn)了DTM公司的設(shè)計(jì)［90［92］，這個(gè)設(shè)計(jì)使得懸浮在空中的粉末得到回收.文獻(xiàn)［92］設(shè)計(jì)的裝置采用恒定的氣體加壓裝置用來(lái)傳輸粉末，通過(guò)對(duì)成型室內(nèi)不間斷充氣（空氣或者惰性氣體），再將這些與懸浮粉末混合的氣體引入到裝置中過(guò)濾，能很好地將這部分粉末回收，避免了環(huán)境污染也保證了設(shè)備操控者的身體安全.

國(guó)內(nèi)對(duì)鋪粉控制系統(tǒng)研究時(shí)間不長(zhǎng).清華大學(xué)設(shè)計(jì)了一種可控震動(dòng)落粉鋪粉系統(tǒng)［93］，總結(jié)了常用的鋪粉系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)后，設(shè)計(jì)一種不與成型件接觸的上置式鋪粉篩和具有稱(chēng)重傳感器反饋的鋪粉系統(tǒng)，通過(guò)改變鋪粉篩的運(yùn)行速度和加速度實(shí)現(xiàn)粉末鋪送功能，改變鋪粉篩運(yùn)行速度和加速度獲取精確的鋪粉厚度，最小粉末層厚度達(dá)0.1mm.

圖12　三缸鋪粉循環(huán)系統(tǒng)Fig.12　Three cylinders assist powder recycle system

2.3.2粉末預(yù)熱控制

激光粉末成型技術(shù)，需要在加工過(guò)程中對(duì)粉末進(jìn)行預(yù)熱.預(yù)熱是成型過(guò)程中極其重要的階段，其精準(zhǔn)度是模型成型時(shí)間、精度以及強(qiáng)度的重要保證.

預(yù)熱過(guò)程［94］一般涉及三種能量傳輸方式：熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射.熱傳導(dǎo)是物質(zhì)之間的能量轉(zhuǎn)換，熱對(duì)流是流體溫差造成的能量轉(zhuǎn)換，熱輻射是電磁輻射的一種，由熱源發(fā)出熱能，被物體吸收后轉(zhuǎn)換成熱能.熱輻射屬于一種非接觸式傳熱，而且傳熱速度很快，所以預(yù)熱控制系統(tǒng)一般采用熱輻射方式.粉末預(yù)熱有兩個(gè)能量來(lái)源，一部分是激光燒結(jié)粉末后能量散失到環(huán)境中；另一部分是由熱輻射元件的能量預(yù)熱粉末.因此，設(shè)計(jì)一個(gè)好的預(yù)熱控制系統(tǒng)是能否對(duì)粉末均勻預(yù)熱的基礎(chǔ).早在1992年DTM公司申請(qǐng)了粉末預(yù)熱控制系統(tǒng)［95］，該系統(tǒng)是一種用于選擇性激光燒結(jié)的熱輻射預(yù)熱裝置，該裝置可以為粉末表面提供均勻的溫度，選用熱輻射板、熱輻射圓環(huán)等裝置作為輻射源，放置在成型區(qū)域上方進(jìn)行輻射加熱，有專(zhuān)門(mén)的溫度測(cè)量元件對(duì)粉末表面溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控.專(zhuān)利中的數(shù)據(jù)說(shuō)明，使用熱輻射圓環(huán)的設(shè)計(jì)，能夠更好地傳遞熱量，高效地為粉末表面提供均勻預(yù)熱溫度.隨后，德國(guó)EOS公司也為其產(chǎn)品的預(yù)熱控制系統(tǒng)申請(qǐng)了專(zhuān)利.文獻(xiàn)［96］設(shè)計(jì)的預(yù)熱控制系統(tǒng)同樣采用熱輻射進(jìn)行預(yù)熱，但該裝置采用熱惰性材料石墨薄片作為熱輻射元件，數(shù)據(jù)說(shuō)明相比于其他材料，石墨薄片的溫度傳導(dǎo)系數(shù)更好，可以預(yù)熱有一定厚度的粉末層，并且能夠保證溫度的均勻性.文獻(xiàn)［97］分析了電子束增材制造過(guò)程控制，并嘗試使用NIR（Near-infrared）兩種鏡頭的熱感相機(jī)進(jìn)行預(yù)熱過(guò)程溫度測(cè)量控制，該熱感相機(jī)可測(cè)量的溫度范圍在600～3000?C，可有效地測(cè)量過(guò)程控制中各階段（預(yù)熱、輪廓線(xiàn)成型）的不同溫度區(qū)間（低、中）.圖13和圖14說(shuō)明了預(yù)熱階段溫度區(qū)間.

圖13　NIR圖像在預(yù)熱階段低溫區(qū)間Fig.13　Low temperature range of NIR images at pre-heating phases

圖14　NIR圖像在預(yù)熱階段中溫區(qū)間Fig.14　Medium temperature range of NIR images at pre-heating phases

激光選區(qū)燒結(jié)成型過(guò)程中，相鄰層之間如果沒(méi)有預(yù)熱控制系統(tǒng)將會(huì)發(fā)生上層的溫度高、下層的溫度迅速降低的情況［98］，這樣極易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力和翹曲形變.研究人員通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)和方差分析的手段［99］，發(fā)現(xiàn)使用加熱設(shè)備將溫度控制為：層間高、兩端低的情況將不會(huì)有顯著的形變樣品產(chǎn)生，這樣的溫度控制能夠獲取更好的精度.同時(shí)，預(yù)熱控制系統(tǒng)對(duì)溫度穩(wěn)定性的要求嚴(yán)格，要求粉床溫度的不均勻度必須控制在一定范圍內(nèi)，所以如何控制好粉床的溫度也是十分重要.通常情況下，對(duì)預(yù)熱溫度的控制采用的是模糊控制［100］，且效果良好.然而，當(dāng)中間燒結(jié)層的切片形狀發(fā)生超過(guò)30%面積變化時(shí)，采用模糊控制的預(yù)熱系統(tǒng)會(huì)發(fā)生快速溫度變化.因此文獻(xiàn)［101］設(shè)計(jì)了一種預(yù)熱溫度調(diào)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)根據(jù)切片形狀不同，將切片分為漸變型（相鄰層變化平緩）和突變型（相鄰層變化大）.當(dāng)獲取切片信息后進(jìn)行溫度控制時(shí)，如果是漸變型截面，此時(shí)預(yù)熱采用常規(guī)的模糊算法；如果是突變型截面，此時(shí)采用參考模型自適應(yīng)（Model reference adaptive control，MRAC）方法進(jìn)行控制，實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)提高了模型成型的自動(dòng)化和智能化，在節(jié)省生產(chǎn)成本的情況下，提高了模型的各項(xiàng)性能.在第k步，第i條的控制規(guī)則為

式中，Ei、IEi分別是 e、Re dt的模糊集，μEi（e），μIEi?Re dt￠為e，Re dt的隸屬度函數(shù)值，系數(shù)K1、K2可以求出.

文獻(xiàn)［102］通過(guò)對(duì)四周區(qū)域加入熱源，使用有限元模擬，證明在四周區(qū)域增加溫度補(bǔ)償能夠改善預(yù)熱溫度場(chǎng)的分布，從而顯著提高了燒結(jié)制件的質(zhì)量. 2.3.3成型精度影響及控制

金屬粉末具有密度大、熔點(diǎn)高、導(dǎo)熱系數(shù)好等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)使得對(duì)激光束的功率要求更高，加熱速度更快，由于激光束加熱的局部性，將會(huì)引起溫度場(chǎng)分布不均衡、溫度梯度大.在模型成型過(guò)程中，由于溫度場(chǎng)不均衡引起的固化收縮問(wèn)題，極易導(dǎo)致模型出現(xiàn)球化、翹曲和開(kāi)裂等現(xiàn)象［103］.為了減少上述因?yàn)闇囟葓?chǎng)不均衡導(dǎo)致的模型損壞現(xiàn)象，對(duì)溫度場(chǎng)控制進(jìn)行研究是非常必要的.因?yàn)榻饘俜勰Y(jié)溫度場(chǎng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)分布的過(guò)程，所以采用有限元模擬可以更好地分析成型過(guò)程中影響精度的因素，從而對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行合理選擇.Bugeda等［104］通過(guò)對(duì)選擇性激光燒結(jié)過(guò)程中的單一激光源燒結(jié)軌跡進(jìn)行有限元三維模擬，分析了實(shí)驗(yàn)材料的燒結(jié)過(guò)程，得到的溫度和密度分布圖，獲取了燒結(jié)深度的信息.Dai等［105］提出了一種有限元分析方法用于調(diào)查激光掃描方式對(duì)殘留應(yīng)力和變形的影響.研究表明，若有一層出現(xiàn)形變，改變激光束的掃描方式可以將形變影響最小化；該研究同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，如果掃描路徑沿著某一軸線(xiàn)方向進(jìn)行長(zhǎng)距離掃描，將可能出現(xiàn)鞍形失真.

上面的研究基本采用三維有限元瞬態(tài)溫度場(chǎng)分析，但卻沒(méi)有考慮到隨著溫度的變化對(duì)一些重要物理參數(shù)的影響；不同材料的熱系數(shù)等物理性質(zhì)的變換；以及溫度、激光能量密度和成型件密度的耦合作用等［106］.Wang［107］討論了選擇性激光燒結(jié)過(guò)程中兩個(gè)重要參數(shù)（固化收縮和光束偏移）對(duì)模型尺寸的影響.Williams等［108］采用分析和實(shí)驗(yàn)的方法研究選擇性激光燒結(jié)過(guò)程中激光的能量密度、激光束光斑直徑以及激光束延遲對(duì)成型件平均密度和強(qiáng)度的影響.該研究結(jié)果表明：隨著能量密度和光斑直徑的增加，成型件的密度和強(qiáng)度也隨之增長(zhǎng)，但是一些限制性因素的存在仍然會(huì)影響模型的最大密度和強(qiáng)度.這種方法雖然能確定燒結(jié)過(guò)程中模型性能的變化，但是對(duì)模型性能的提高有限.選擇性激光燒結(jié)有一種大幅提高制件密度和強(qiáng)度的方法：后固化法（將成型制件放入一定溫度的設(shè)備中使未完全成型部分進(jìn)行再次固化）.文獻(xiàn)［109］使用最小二乘法來(lái)調(diào)查后固化過(guò)程中成型件的收縮變化，研究人員發(fā)現(xiàn)后固化方法能顯著減小尺寸的收縮，并且發(fā)現(xiàn)固化程度與激光功率、層間距、掃描間距和掃描速度存在函數(shù)關(guān)系.文獻(xiàn)［110］研究揭示了重要過(guò)程參數(shù)（激光功率、掃描速度、層間距、粉床溫度等）與成型制件精度的關(guān)系，使用田口設(shè)計(jì)方法為長(zhǎng)方體模型進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)最大化信噪比和方差分析進(jìn)行尺寸補(bǔ)償，成功提高了模型的有效性和精度.這些實(shí)驗(yàn)和結(jié)果都證明了激光粉末成型技術(shù)的成型精度還有10%以上的提升空間，需要更多的科研人員來(lái)研究這部分領(lǐng)域，特別是控制方法的研究.

3　3D打印技術(shù)的展望

綜上所述，3D打印技術(shù)呈現(xiàn)了百花齊放，百家爭(zhēng)鳴的發(fā)展?fàn)顩r，無(wú)論是從成型原理、材料等關(guān)鍵方向都有大量科研工作人員進(jìn)行研發(fā)，并且各有特色和優(yōu)勢(shì).雖然3D打印技術(shù)取得了廣泛的關(guān)注和迅猛的發(fā)展，在成型精度和速度有所突破，但依然存在著許多亟待解決的問(wèn)題.下面將對(duì)其中的一些問(wèn)題進(jìn)行總結(jié)，同時(shí)對(duì)未來(lái)3D打印技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)提出初步的設(shè)想.

3.1控制系統(tǒng)

3.1.1過(guò)程控制

過(guò)程控制系統(tǒng)通常采用反饋控制和算法改進(jìn)的形式，通過(guò)對(duì)過(guò)程參量的控制，可使生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)品的產(chǎn)量增加、質(zhì)量提高和能耗減少，例如文獻(xiàn)［111］提出了熔融沉積成型技術(shù)穩(wěn)固低耗支撐結(jié)構(gòu)生成的算法，該算法充分分析熔絲沉積制造中掃描熔絲構(gòu)造特點(diǎn)，對(duì)支撐區(qū)域進(jìn)行分類(lèi)，根據(jù)每類(lèi)支撐的特點(diǎn)設(shè)計(jì)相應(yīng)的支撐結(jié)構(gòu)成型算法，并建立最優(yōu)化計(jì)算模型，計(jì)算符合各類(lèi)約束的最小支撐結(jié)構(gòu)，在保證了打印成型質(zhì)量同時(shí)節(jié)省了打印耗材，并針對(duì)現(xiàn)有Makerware算法用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說(shuō)明，所得支撐結(jié)構(gòu)更為稀疏，并且采用了錐形結(jié)構(gòu)，節(jié)省材料效果明顯，算法穩(wěn)定性更好.3D打印核心技術(shù)不同，其表征過(guò)程的主要參數(shù)也各不相同.熔融沉積成型技術(shù)過(guò)程參數(shù)有溫度、壓力、送絲速度等，光聚合成型技術(shù)過(guò)程控制參數(shù)有激光強(qiáng)度、固化深度、涂層厚度、液面高度等，激光粉末成型技術(shù)過(guò)程參數(shù)有激光強(qiáng)度、鋪粉厚度、致密度、預(yù)熱溫度等.3D打印技術(shù)目前僅僅做到了將過(guò)程控制的參數(shù)測(cè)量表示出來(lái)，并使用一些簡(jiǎn)單的獨(dú)立閉環(huán)控制，但是在很多情況下，3D打印控制系統(tǒng)中被控量與控制量之間呈現(xiàn)出交互影響的關(guān)系，每個(gè)控制量的變化會(huì)同時(shí)引起幾個(gè)被控量變化.這種變量間的交互影響稱(chēng)為耦合.耦合的存在會(huì)使過(guò)程控制系統(tǒng)變得復(fù)雜化，例如熔融沉積成型技術(shù)過(guò)程參數(shù)有溫度、壓力、送絲速度，這些參數(shù)都是相互關(guān)聯(lián)，相互影響.3D打印可以采用解耦控制中的多變量頻域方法有效解決這一問(wèn)題.

3.1.2整體控制

目前，國(guó)內(nèi)外3D打印控制系統(tǒng)的智能識(shí)別和反饋功能基本處于空白狀態(tài)，控制系統(tǒng)中的各子系統(tǒng)雖然能夠較好地做到閉環(huán)控制，但是大部分打印機(jī)的整體控制系統(tǒng)仍然處于盲打階段，是一個(gè)開(kāi)環(huán)的狀態(tài)，即每一種模型的成型需要依靠人工總結(jié)數(shù)據(jù)并進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn).當(dāng)成型過(guò)程中出現(xiàn)打印異常問(wèn)題時(shí)，控制系統(tǒng)無(wú)法識(shí)別，更不能調(diào)整解決問(wèn)題.當(dāng)成型過(guò)程出現(xiàn)一個(gè)細(xì)小的打印錯(cuò)誤，后續(xù)成型誤差將會(huì)越來(lái)越大，這就要求成型時(shí)，必須有經(jīng)驗(yàn)豐富的專(zhuān)業(yè)人員隨時(shí)觀(guān)察成型狀態(tài).現(xiàn)如今，大部分3D打印機(jī)還沒(méi)有打印記憶功能，如果打印時(shí)突然斷電將無(wú)法進(jìn)行續(xù)打，這樣會(huì)造成大量時(shí)間、材料上的浪費(fèi).因此，智能識(shí)別和反饋功能是目前3D打印控制系統(tǒng)需要解決的問(wèn)題，讓系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別并判斷成型過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，并及時(shí)作出調(diào)整，同時(shí)通過(guò)智能識(shí)別系統(tǒng)提供的大量數(shù)據(jù)讓3D打印機(jī)能夠具備自學(xué)、自我逐步完善功能.

3.1.3實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

3D打印存在著復(fù)雜的材料狀態(tài)變化過(guò)程，材料需要經(jīng)歷“固態(tài)、液態(tài)、固態(tài)”的狀態(tài)變化過(guò)程，并且打印的精度要求非常高，此時(shí)引入了一些新的技術(shù)和新的控制器、控制系統(tǒng).在這種情況下，難以通過(guò)狀態(tài)、能量等化學(xué)以及基本的物理定律來(lái)建立精確的結(jié)構(gòu)模型，即使建立了模型，也會(huì)由于模型階次太高，不適合用于控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì).同時(shí)，3D打印控制系統(tǒng)中還存在大量的不穩(wěn)定因素，例如：環(huán)境溫度變化、支撐的穩(wěn)定性、電機(jī)運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性、翹曲形變、應(yīng)力作用等.針對(duì)難于建模、耦合性強(qiáng)、不確定因素多的復(fù)雜系統(tǒng)，可以利用大量的數(shù)據(jù)系統(tǒng)進(jìn)行分析與控制，同時(shí)采用基于田口設(shè)計(jì)方法或者ANASYS有限元方法設(shè)計(jì)出相關(guān)實(shí)驗(yàn).這些是未來(lái)3D打印控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的發(fā)展方向，在科研性和應(yīng)用性上有不錯(cuò)的指導(dǎo)意義.

3.1.4仿真研究

國(guó)內(nèi)外對(duì)3D打印控制的仿真研究過(guò)程還僅僅處于在打印過(guò)程中相鄰層、局部性的功能模擬與驗(yàn)證階段.這些工作主要針對(duì)打印過(guò)程中模型的局部瞬間溫度場(chǎng)模擬，實(shí)驗(yàn)所用的一些模型采用常規(guī)形態(tài)（如矩形、正方形、三角形等），很少考慮到在實(shí)際打印經(jīng)常出現(xiàn)的具有復(fù)雜多變、獨(dú)特形態(tài)特征的模型，這些模型在3D打印的實(shí)際作業(yè)過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)變形等問(wèn)題.同時(shí)，仿真研究也不能將相變潛熱、對(duì)流、輻射、熱傳導(dǎo)等因素的綜合作用所累積產(chǎn)生的層間應(yīng)力變化反應(yīng)出來(lái)，只能考慮到單一因素引起的變化；在打印過(guò)程中材料因?yàn)槭軣岷笪锢韰?shù)發(fā)生改變，仿真過(guò)程中卻對(duì)材料設(shè)置了相同的物理參數(shù)，實(shí)際上其中的熱力學(xué)等許多物理參數(shù)差別巨大，這樣的仿真模擬過(guò)程存在著明顯嚴(yán)重缺陷.因此，打印過(guò)程中的可視化仿真是現(xiàn)階段需要攻克的難題.

3.1.5計(jì)算能力

3D打印機(jī)在工作過(guò)程中經(jīng)常發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)換，各個(gè)被控制部件之間有著強(qiáng)耦合性，且3D打印控制除了要求具備高度的準(zhǔn)確性和快速性之外，還需具備實(shí)時(shí)性，這就對(duì)控制器的計(jì)算能力提出了更高要求.一些低端產(chǎn)品由于成本等原因采用的是單片機(jī)作為控制器，但計(jì)算能力稍顯不足；因此為了滿(mǎn)足3D打印機(jī)在性能上的需求，必須采用計(jì)算能力更高的控制器.同時(shí)，3D打印也存在非線(xiàn)性強(qiáng)、控制模型階次高的問(wèn)題；因此，如何開(kāi)發(fā)先進(jìn)算法來(lái)解決這些問(wèn)題也是未來(lái)3D打印控制系統(tǒng)所要做的.

3.2產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程

3.2.1打印材料行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的建立

這些年來(lái)，3D打印技術(shù)飛速發(fā)展，成功運(yùn)用到各行各業(yè)中，但不同行業(yè)對(duì)材料的要求不盡相同，3D打印材料現(xiàn)狀并不令人滿(mǎn)意，成為了影響3D打印行業(yè)發(fā)展的重要制約因素.目前，我國(guó)3D打印原料缺乏相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)3D打印材料的企業(yè)大多集中在生產(chǎn)PLA、ABS材料以及液態(tài)光敏樹(shù)脂，并且這些企業(yè)生產(chǎn)的材料質(zhì)量參差不齊，嚴(yán)重影響模型成型質(zhì)量；而金屬粉末材料基本依賴(lài)從國(guó)外高價(jià)進(jìn)口，使得國(guó)內(nèi)金屬3D打印成本一直居高不下，影響了金屬3D打印的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程.因此，3D打印行業(yè)迫切需要建立一整套針對(duì)材料的相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，加快國(guó)內(nèi)3D打印材料研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程，爭(zhēng)取做到3D打印材料自給自足，努力做到材料出口到國(guó)外，促進(jìn)我國(guó)3D打印產(chǎn)業(yè)的跨越式發(fā)展.

3.2.2社會(huì)制造

當(dāng)前，我國(guó)制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)水平低下，創(chuàng)新能力不強(qiáng)，科技與經(jīng)濟(jì)發(fā)展脫節(jié)，為了提高產(chǎn)業(yè)服務(wù)水平，加速發(fā)展社會(huì)制造產(chǎn)業(yè)，必須充分利用好網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，大力開(kāi)展遠(yuǎn)程3D打印服務(wù).3D打印帶來(lái)的不僅是制造技術(shù)的進(jìn)步，更是社會(huì)生產(chǎn)組織方式和管理模式的深刻變革.3D打印使生產(chǎn)制造從大型、復(fù)雜、昂貴的傳統(tǒng)工業(yè)過(guò)程中分離出來(lái)，凡是能接上電源的任何計(jì)算機(jī)都能夠成為靈巧的生產(chǎn)工廠(chǎng).然而由于成本、材料限制問(wèn)題以及操作者的專(zhuān)業(yè)知識(shí)限制，目前個(gè)人使用的3D打印機(jī)一般為價(jià)格較低的FDM 3D打印機(jī)，出于盲目消費(fèi)、好奇等原因，個(gè)人消費(fèi)者在購(gòu)買(mǎi)3D打印機(jī)后使用不久后便會(huì)出現(xiàn)打印機(jī)永久閑置的問(wèn)題，這樣給3D打印的普及和推廣帶來(lái)了負(fù)面效應(yīng).一些大型企業(yè)花重金購(gòu)買(mǎi)了國(guó)外先進(jìn)的3D打印機(jī)后，卻得不到充分的利用，而社會(huì)制造的出現(xiàn)能夠很好地解決上述問(wèn)題.正如王飛躍［112］所說(shuō)，社會(huì)制造就是利用3D打印、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和社會(huì)媒體，通過(guò)眾包等方式讓社會(huì)民眾充分參與產(chǎn)品的全生命制造過(guò)程，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化、實(shí)時(shí)化、經(jīng)濟(jì)化的生產(chǎn)和消費(fèi)模式，是計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)引發(fā)的信息革命之后的又一場(chǎng)產(chǎn)業(yè)革命，需要引起人們的重視，社會(huì)制造的關(guān)鍵問(wèn)題就是如何主動(dòng)、及時(shí)地將社會(huì)需求與社會(huì)制造能力有機(jī)地銜接起來(lái)，從而有效地完成從需求到供應(yīng)之間的相互轉(zhuǎn)化過(guò)程.因此，個(gè)人消費(fèi)者使用搜索的方式來(lái)找尋滿(mǎn)足自己設(shè)計(jì)需要的企業(yè)所有的3D打印機(jī)，而企業(yè)則采用眾包的方式有效地完成產(chǎn)品的提出、設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)和營(yíng)銷(xiāo)等任務(wù).從而達(dá)到互利互惠的效果，推動(dòng)3D打印的蓬勃發(fā)展，同時(shí)推動(dòng)整個(gè)社會(huì)制造能力的提升.

3.2.3行業(yè)發(fā)展方向

國(guó)際3D打印行業(yè)處于快速兼并與整合過(guò)程，國(guó)內(nèi)3D打印聯(lián)盟的成立共同促進(jìn)行業(yè)加速發(fā)展. 3D打印行業(yè)最大的兩家龍頭企業(yè)分別為美國(guó)的3D Systems公司和Stratasys公司.這兩家公司的產(chǎn)品占據(jù)全球大部分的市場(chǎng)份額.兩家公司在本身異常強(qiáng)大的情況下，仍然在執(zhí)行大規(guī)模的收購(gòu)與合并政策，試圖完善產(chǎn)品線(xiàn)、鞏固領(lǐng)先優(yōu)勢(shì).例如，Stratasys公司2012年4月用14億美元并購(gòu)了以色列的Object公司，2013年6月用4.03億美元收購(gòu)了美國(guó)的MakerBot公司，分別獲得了這兩家公司的PloyJet Matrix技術(shù)和桌面級(jí)產(chǎn)品技術(shù)，同時(shí)以1億美元收購(gòu)了全球最大的3D設(shè)計(jì)分享網(wǎng)站GrabCAD，這樣將使得Stratasys公司擁有全球領(lǐng)先的管理、共享和查看CAD協(xié)作平臺(tái)，也是加強(qiáng)對(duì)CAD建模市場(chǎng)控制的方式.3D Systems公司先后收購(gòu)了包括Z Corp、Huntsman、Vidar Systems和CAD軟件Alibre等40多家公司，一舉奠定了該企業(yè)在3D打印行業(yè)中的地位.

在我國(guó)，3D打印技術(shù)的掌握和市場(chǎng)化應(yīng)用還處于初級(jí)階段，公司還處于小而分散的狀態(tài)，近些年來(lái)也成立了由中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所牽頭的“3D科技創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟”、由亞洲制造業(yè)協(xié)會(huì)聯(lián)合華中科技大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、清華大學(xué)等權(quán)威科研機(jī)構(gòu)共同發(fā)起的“中國(guó)3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟”以及“山東3D科技創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟”等組織機(jī)構(gòu)來(lái)團(tuán)結(jié)、規(guī)范、引導(dǎo)我國(guó)3D技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展.盡管如此，我國(guó)的3D打印企業(yè)都還處于分散的狀態(tài)，迫切需要一個(gè)或者多個(gè)有發(fā)展3D打印技術(shù)意愿的公司加大投資，采取整合以及研發(fā)創(chuàng)新的方式來(lái)壯大自身，在材料、軟件特別是細(xì)分領(lǐng)域的應(yīng)用方面集中力量重點(diǎn)突破，這樣才能打破國(guó)外3D打印企業(yè)的壟斷地位.

3.2.4企業(yè)發(fā)展

企業(yè)應(yīng)該加強(qiáng)與研究所、高校的聯(lián)合，形成一整套產(chǎn)、學(xué)、研、教的組織機(jī)構(gòu).目前我國(guó)正處于3D打印發(fā)展初級(jí)階段，從20世紀(jì)90年代開(kāi)始西安交通大學(xué)盧秉恒（中國(guó)工程院院士）團(tuán)隊(duì)，主要研究光固化成型技術(shù)；華中科技大學(xué)史玉升團(tuán)隊(duì)，主要從事激光燒結(jié)成型技術(shù)，2010年該團(tuán)隊(duì)研制出“基于粉末床的立體打印技術(shù)”，并獲得國(guó)家科技發(fā)明二等獎(jiǎng)；清華大學(xué)顏永年團(tuán)隊(duì)，其科研成果通過(guò)北京殷華快速成型模具技術(shù)有限公司轉(zhuǎn)化以及北京航空航天大學(xué)王華明團(tuán)隊(duì)在激光快速成型飛機(jī)鈦合金結(jié)構(gòu)件關(guān)鍵工藝及技術(shù)上取得了突出性貢獻(xiàn).同時(shí)一些企業(yè)：北京殷華、陜西恒通智能機(jī)器、湖北濱湖機(jī)電、湖南華曙高科技有限責(zé)任公司等陸續(xù)進(jìn)入該行業(yè)中.我國(guó)的3D打印基礎(chǔ)還很薄弱，企業(yè)必須做出長(zhǎng)遠(yuǎn)的規(guī)劃，而不是只做低端產(chǎn)品，長(zhǎng)遠(yuǎn)的規(guī)劃必須包括依托于高校及研究所.高校主攻基礎(chǔ)研究，培養(yǎng)一批有3D打印技能的學(xué)生；研究所主攻應(yīng)用型研究；企業(yè)將研發(fā)成果轉(zhuǎn)換為產(chǎn)業(yè)成果.與此同時(shí)，積極引進(jìn)海內(nèi)外3D打印技術(shù)人才，邀請(qǐng)國(guó)內(nèi)知名教授學(xué)者進(jìn)行3D打印技術(shù)講座，培養(yǎng)不同層次的3D打印人員，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)、學(xué)、研、教一體化發(fā)展.

致謝

本文內(nèi)容是在中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所復(fù)雜系統(tǒng)管理與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中國(guó)科學(xué)院云計(jì)算產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新與育成中心自動(dòng)化所東莞研究院、青島智能產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院的支持下完成.作者感謝沈震副研究員、朱鳳華高級(jí)工程師、熊剛研究員等的有益討論.

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李 軒長(zhǎng)沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院碩士研究生.主要研究方向?yàn)?D打印與社會(huì)制造.本文通信作者.

E-mail:lixuan0125@126.com

（LI XuanMaster student at the College of Information and Electrical Engineering，Changsha University of Science and Technology.His research interest covers 3D printing and social manufacturing.Corresponding author of this paper.）

莫紅長(zhǎng)沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院副教授.2004年獲中國(guó)科學(xué)院研究生院工學(xué)博士學(xué)位.主要研究方向?yàn)檎Z(yǔ)言動(dòng)力系統(tǒng)與智能計(jì)算.

E-mail:mohong72@gmail.com

（MO HongAssociate professor at the College of Electric and Information Engineering，Changsha University of Science and Technology.She received her Ph.D.degree from University of Chinese Academy of Sciences in 2004. Her research interest covers linguistic dynamic systems and intelligent computing.）

李雙雙中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化所復(fù)雜系統(tǒng)管理與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室助理研究員，2007年獲杭州電子科技大學(xué)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)學(xué)士學(xué)位，2010年獲浙江大學(xué)控制理論與控制工程專(zhuān)業(yè)碩士學(xué)位，2013年獲中國(guó)科學(xué)院大學(xué)計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)專(zhuān)業(yè)博士學(xué)位.主要研究方向?yàn)?D打印與社會(huì)制造.

E-mail:shuangshuang.li@ia.ac.cn

（LI Shuang-ShuangAssistant professor at the State Key Laboratory of Management and Control for Complex Systems，Institute of Automation，Chinese Academy of Sciences.He received his bachelor degree in automation from Hangzhou Dianzi University，master degree in control theory and control engineering from Zhejiang University，and Ph.D.degree in technology of computer applications from University of Chinese Academy of Sciences in 2007，2010 and 2013，respectively.His research interest covers 3D printing and social manufacturing.）

王飛躍中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所復(fù)雜系統(tǒng)管理與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員.國(guó)防科技大學(xué)軍事計(jì)算實(shí)驗(yàn)與平行系統(tǒng)技術(shù)中心教授.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)中國(guó)經(jīng)濟(jì)與社會(huì)安全研究中心教授.主要研究方向?yàn)橹悄芟到y(tǒng)和復(fù)雜系統(tǒng)的建模，分析與控制.

E-mail:feiyue.wang@ia.ac.cn

（WANG Fei-YueProfessor at the State Key Laboratory of Management and Control for Complex Systems，Institute of Automation，Chinese Academy of Sciences.He is also a Professor at the Research Center of Computational Experiments and Parallel Systems，National University of Defense Technology，as well as at China Economic and Social Security Research Center，University of Chinese Academy of Sciences.His research interest covers modeling，analysis，control of intelligent，and complex systems.）

Research Progress on 3D Printing Technology Process Control Problem

LI Xuan1MO Hong1，2LI Shuang-Shuang2WANG Fei-Yue2

3D printing is a new add manufacturing technology，and many people think it is a“destructive”technology that will change the world，claim it will trigger a new round of industrial revolution.According to 3D printing technology involved in different core forming technologies，materials and equipment volumes，this paper introduces the different classifications of 3D printing technology，overviews the mainstream 3D printing technology control system，discusses the problems existing in the control system of 3D printing，and provides suggestions and advices for the process of industrialization.

3D printing technique，add manufacturing technology，control system，the process of industrialization

10.16383/j.aas.2016.c150619

Li Xuan，Mo Hong，Li Shuang-Shuang，Wang Fei-Yue.Research progress on 3D printing technology process control problem.Acta Automatica Sinica，2016，42（7）:983-1003

2015-10-15錄用日期2016-03-02
Manuscript received October 15，2015；accepted March 2，2016國(guó)家自然科學(xué)基金（61074093，61233008，61473048）資助
Supported by National Natural Science Foundation of China （61074093，61233008，61473048）
本文責(zé)任編委魏慶來(lái)
Recommended by Associate Editor WEI Qing-Lai
1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院長(zhǎng)沙 4101142.中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所復(fù)雜系統(tǒng)管理與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室北京100190
1.School of Electric and Information Engineering，Changsha University of Science and Technology，Changsha 4101142. The State Key Laboratory of Management and Control for Complex Systems，Institute of Automation，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190