探究3D 打印技術(shù)過程中的控制問題

中國電子科技集團(tuán)公司第十二研究所 張佳 于森

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，3D 打印技術(shù)在很多領(lǐng)域得到了較為廣泛的應(yīng)用，同時(shí)取得了明顯的應(yīng)用效果，并且在此項(xiàng)技術(shù)的支撐下，促進(jìn)了機(jī)械設(shè)備制造技術(shù)的發(fā)展，工廠中應(yīng)用此項(xiàng)技術(shù)，可以明顯地提升工廠設(shè)計(jì)、生產(chǎn)以及制造的效率。3D 打印機(jī)的功能越來越完善，德國科研領(lǐng)域人員最早研發(fā)出三維生物打印機(jī)，可以打印人體牙齒和其他不同部位器官。同時(shí)基于三維打印機(jī)，可以修復(fù)以及制造歷史遺址。3D 打印技術(shù)的出現(xiàn)，改變了傳統(tǒng)中機(jī)械以及人工加工生產(chǎn)的模式，同時(shí)具有十分高的技術(shù)內(nèi)容的修改效率。

1 3D 打印技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

當(dāng)下，3D 打印技術(shù)還未形成統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)成型技術(shù)原理，可以將3D 打印技術(shù)分為熔融沉積成型技術(shù)、選擇性激光燒結(jié)技術(shù)、立體光固化技術(shù)（如圖1所示）等。根據(jù)設(shè)備的體積，可以將3D 打印技術(shù)劃分為桌面級(jí)、中型、大型3D 打印機(jī)。根據(jù)用途，可以將其劃分為航天、民用、工業(yè)用3D 打印機(jī)等。在很多領(lǐng)域，3D打印技術(shù)都具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

圖1 立體光固化技術(shù)成型流程圖

3D 打印技術(shù)的用途，就是它可以不在廠房使用，能夠打印出很小的東西，同時(shí)，使用完后可以將其放在房間的某個(gè)角落或者住所當(dāng)中，但是電動(dòng)車車架等一些較大的物體,則應(yīng)當(dāng)存放到更大的打印機(jī)和更大的地方。

3D 打印技術(shù)最獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，就在于不需要工廠生產(chǎn)或者另外的途徑，就可以利用電腦制作的圖像，形成一切形狀的物品，使得產(chǎn)品的制造時(shí)間得到大幅縮減，降低了生產(chǎn)時(shí)間，減少了生產(chǎn)費(fèi)用。

相比于傳統(tǒng)的技術(shù)，3D 打印技術(shù)還具備以下優(yōu)點(diǎn)：通過議定放棄制造線，使得生產(chǎn)資金得以縮減；較大幅度地減少了資源的浪費(fèi)。同時(shí)，3D 打印技術(shù)還能夠生產(chǎn)出傳統(tǒng)技術(shù)難以生產(chǎn)出的輪廓，有利于更好地設(shè)計(jì)出火車車廂等。此外，3D 打印技術(shù)還能夠使生產(chǎn)制造的過程得以縮短，效率較高、速度較快，同時(shí)在成本降低的前提下，將單個(gè)零件生產(chǎn)出來。

3D 打印技術(shù)還具備其他的優(yōu)勢(shì), 大部分的金屬以及機(jī)械零件設(shè)計(jì)的目的，都是為了生產(chǎn)，也就意味著不是十分劃算，同時(shí)產(chǎn)生了較多的剩余廢料。然而3D 打印技術(shù)卻不是這樣，材料的加工都是為了生產(chǎn)所必需的產(chǎn)品，通過3D 打印技術(shù)制造出的零件十分精密，同時(shí)價(jià)格較低。一旦沒有了材料的生產(chǎn)控制,就可以最優(yōu)化地達(dá)到其功能，所以相比于機(jī)器制造出來的零件，3D打印出來的產(chǎn)品，僅僅具有35%的重量,同時(shí)十分經(jīng)濟(jì)劃算。

2 3D 打印技術(shù)過程控制系統(tǒng)分析

相比于傳統(tǒng)技術(shù)，3D 打印技術(shù)具有十分明顯的優(yōu)勢(shì)，不只是在廠房?jī)?nèi)得到了普遍的應(yīng)用，不管是在酒店還是在公寓的房間一角，都可以實(shí)現(xiàn)有效的應(yīng)用。不過需要注意的是，應(yīng)當(dāng)結(jié)合實(shí)際情況對(duì)打印機(jī)進(jìn)行選擇性地應(yīng)用。

2.1 光固化成型的控制系統(tǒng)

20 世紀(jì)80 年代誕生了光固化成型技術(shù),這也是后來3D 打印技術(shù)形成的基礎(chǔ),光固化成型系統(tǒng)經(jīng)過一段時(shí)間的發(fā)展,得到了不斷的改進(jìn)和完善，為生產(chǎn)制造創(chuàng)造了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。光固化成型控制系統(tǒng)包括了很多的組成部分，主要包含了激光掃描控制系統(tǒng)，工作臺(tái)升降系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)和光敏樹脂液位檢測(cè)系統(tǒng)等，再結(jié)合核心技術(shù)和多項(xiàng)系統(tǒng)，逐漸完善和提升了光固化成型控制系統(tǒng)，使其得到了更好的應(yīng)用。光固化成型控制系統(tǒng)在最早期, 通過光敏樹脂液位檢測(cè)控制系統(tǒng)，可以達(dá)到有效控制液面的效果，使得激光顯得聚焦平面和液面相互吻合。此外，當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)出指令之后，激光掃描系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)焦流程的自動(dòng)化，實(shí)現(xiàn)通過激光掃描控制系統(tǒng)來完成掃描工作，當(dāng)完成一層掃描，假如光敏樹脂的形態(tài)沒有被液面掃描到，此種情況下，光敏樹脂液位檢測(cè)控制系統(tǒng)出現(xiàn)不斷下降，對(duì)于光敏樹脂涂層來說，將一層光敏樹脂涂抹到成型的層面，之后黏度較大的光敏樹脂會(huì)通過刮平器來逐漸刮平，再利用激光掃描系統(tǒng)繼續(xù)下一層的掃描任務(wù)，一層被一層包裹著，一直到設(shè)備零部件全面完成制造，最后出現(xiàn)實(shí)體的三維模型。

2.2 激光粉末成型技術(shù)的控制系統(tǒng)

對(duì)于激光粉末成型技術(shù)，涉及到很多方面的技術(shù)，主要包含了直接金屬激光的燒結(jié)技術(shù)、選擇性的激光熔化成型技術(shù)以及選擇性的激光燒結(jié)技術(shù)等，在對(duì)激光粉末成型技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新升級(jí)的過程中，應(yīng)當(dāng)對(duì)能量來源進(jìn)行提升，或者應(yīng)當(dāng)對(duì)粉末顆粒的大小進(jìn)行減少。激光粉末成型技術(shù)的控制系統(tǒng)，主要涉及到鋪粉控制系統(tǒng)、激光掃描系統(tǒng)和成型缸升降系統(tǒng)等系統(tǒng)，在成型之前，在升降平臺(tái)通過鋪粉控制系統(tǒng)對(duì)粉末進(jìn)行均勻的鋪灑，之后利用預(yù)熱系統(tǒng)，來完成壓實(shí)以及預(yù)熱粉末的工作，確保溫度可以符合預(yù)熱打印的相關(guān)要求，緊接著計(jì)算機(jī)控制激光掃描系統(tǒng)、振鏡式掃描系統(tǒng)，推動(dòng)其順著二維軌跡進(jìn)行掃描流程，有選擇性地進(jìn)行燒結(jié)，使得粉末材料變成固體，形成零件的層面，之后升降系統(tǒng)出現(xiàn)下降，鋪粉系統(tǒng)重新對(duì)粉末進(jìn)行均勻的鋪灑，在預(yù)熱系統(tǒng)的作用下，粉末被壓實(shí)并且被預(yù)熱，之后利用掃描的作用再次形成零件層面，利用上面來回往復(fù)的操作，一次次疊加零件層面，最終制作出三維零件。應(yīng)當(dāng)注意的是，最后應(yīng)當(dāng)注意回收剩余粉末，這一點(diǎn)十分重要，主要是考慮到后續(xù)的使用，然后將成型零件取出來即可。

3 控制系統(tǒng)

3.1 過程控制

對(duì)于3D 打印技術(shù)的過程控制系統(tǒng)來說，一般情況下采取反饋控制和算法改進(jìn)的方式，利用控制過程參量，可以在生產(chǎn)過程中提升產(chǎn)品的產(chǎn)量，改善產(chǎn)品的質(zhì)量，同時(shí)降低能耗。例如，熔融沉積成型技術(shù)（如圖2）穩(wěn)固低耗支撐結(jié)構(gòu)生成的算法，對(duì)熔絲沉積制造中掃描熔絲構(gòu)造的特點(diǎn)進(jìn)行了分析，分類了支撐區(qū)域，按照每一個(gè)類型支撐的特性，設(shè)計(jì)相吻合的支撐結(jié)構(gòu)成型算法，同時(shí)設(shè)計(jì)出最優(yōu)化的計(jì)算模型，將滿足不同類型限制的最小支撐結(jié)構(gòu)計(jì)算出來，在打印成型的效果得到保證的前提下，也使得打印耗材得到縮減，同時(shí)對(duì)當(dāng)下的Makerware 算法，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了說明，得到的支撐結(jié)構(gòu)更加稀疏，并且采取了錐形結(jié)構(gòu)，可以達(dá)到大幅節(jié)約材料的效果，具有更高的算法穩(wěn)定性。

圖2 熔融沉積成型控制系統(tǒng)

3D 打印核心技術(shù)有所差異，表征過程的主要參數(shù)也存在一定的差異。對(duì)于熔融沉積成型技術(shù)，包含的過程參數(shù)有溫度、送絲速度等。3D 打印技術(shù)當(dāng)下只是實(shí)現(xiàn)了測(cè)量表示出過程控制的參數(shù)，同時(shí)采取部分簡(jiǎn)單的獨(dú)立閉環(huán)控制，不過在很多條件下，3D 打印控制系統(tǒng)中被控量和控制量之間表現(xiàn)出互相影響的關(guān)系，一旦某個(gè)控制量出現(xiàn)變化，幾個(gè)被控量就會(huì)受到影響。變量間的互相影響，就叫作耦合，耦合會(huì)導(dǎo)致過程控制系統(tǒng)變得更加復(fù)雜，例如，熔融沉積成型技術(shù)過程參數(shù)，包含溫度、送絲速度等，不同的參數(shù)之間存在相互的影響。3D 打印能夠采取解耦控制中的多變量頻域途徑，對(duì)此種耦合的問題進(jìn)行處理。

3.2 整體控制

當(dāng)下全球3D 打印控制系統(tǒng)的智能識(shí)別以及反饋功效，大體上處在空白的情況下，控制系統(tǒng)當(dāng)中的每個(gè)子系統(tǒng)盡管可以順利地實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，不過大多數(shù)打印機(jī)的整體控制系統(tǒng)盡管還處在盲打過程，屬于開環(huán)的狀態(tài)，也就是說模型的成型，離不開人工總結(jié)數(shù)據(jù)，同時(shí)還需要完成較多的實(shí)驗(yàn)。一旦成型環(huán)節(jié)存在打印異常的問題，控制系統(tǒng)難以識(shí)別，更談不上調(diào)整和解決問題。一旦成型過程存在某個(gè)打印問題，就會(huì)加大后續(xù)成型的誤差，就需要在成型過程中，應(yīng)當(dāng)需要具備較高經(jīng)驗(yàn)同時(shí)專業(yè)知識(shí)豐富的人員觀察成型的狀態(tài)。當(dāng)下，大多數(shù)的3D 打印機(jī)還不具備打印記憶功能，假如打印過程中出現(xiàn)斷電，也就不能繼續(xù)續(xù)打，會(huì)導(dǎo)致浪費(fèi)較多的時(shí)間和材料。所以，當(dāng)下3D 打印控制系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)解決智能識(shí)別和反饋功能的問題，通過系統(tǒng)自身自動(dòng)將成型過程中存在的問題識(shí)別且判斷出來，同時(shí)在第一時(shí)間做出相應(yīng)的調(diào)整，并且利用智能識(shí)別系統(tǒng)提供的大量數(shù)據(jù)，使得3D 打印機(jī)可以具有自學(xué)以及自我完善的功能。

3.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

3D 打印具有較為復(fù)雜的材料狀態(tài)變化過程，材料會(huì)經(jīng)歷固態(tài)、液態(tài)、固態(tài)的狀態(tài)變化過程，同時(shí)具有較高的打印精度要求，此時(shí)將一些新的技術(shù)以及控制器和控制系統(tǒng)引入。在此種背景條件下，很難利用狀態(tài)等化學(xué)和基礎(chǔ)的物理定律，完成精確的結(jié)構(gòu)模型的建立，即便是設(shè)計(jì)出模型，也會(huì)因?yàn)檩^高的模型階次，難以適用于分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)。并且，3D 打印控制系統(tǒng)，也具有一些不穩(wěn)定因素，例如，環(huán)境溫度的改變、電機(jī)運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性等。對(duì)于建模難度較大、具有較多不確定因素的復(fù)雜系統(tǒng)，可以采取大量的數(shù)據(jù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)分析和控制，并且采取以田口設(shè)計(jì)方法或者ANASYS 有限元方法為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)出相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，這些都屬于后續(xù)3D打印控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的發(fā)展方向，在實(shí)際的科研工作中以及實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，具有一定的指導(dǎo)意義。

3.4 仿真研究

全球?qū)τ?D 打印控制的仿真研究過程依舊處在打印過程中相鄰層、局部性的功能模擬和驗(yàn)證階段。此類工作核心在于模擬打印過程中模型的局部瞬間溫度場(chǎng)，實(shí)驗(yàn)當(dāng)中的一些模型采取的是常規(guī)形態(tài)，對(duì)于在實(shí)際打印當(dāng)中存在的變化較多的模型，在實(shí)際的3D 打印作業(yè)當(dāng)中，此類模型經(jīng)常會(huì)存在變形等各種問題，并且仿真研究也難以反映出輻射、熱傳導(dǎo)等因素綜合效果累積形成的層間應(yīng)力變化，僅僅可以考慮到某一個(gè)因素造成的變化。在實(shí)際的打印過程中，由于受熱原因，材料的物理參數(shù)出現(xiàn)變化，然而在仿真當(dāng)中，卻設(shè)置了一樣的材料物理參數(shù)，其實(shí)其中的熱力學(xué)等一些物理參數(shù)，具有較大的差異，此種仿真模擬過程具有較大的缺陷。所以，打印過程中的可視化仿真，是當(dāng)前應(yīng)當(dāng)攻克的難關(guān)。

3.5 計(jì)算能力

在實(shí)際的工作環(huán)節(jié)中，3D 打印機(jī)會(huì)出現(xiàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換，不同被控制部件之間具備較強(qiáng)的耦合性，同時(shí)3D打印機(jī)不但應(yīng)當(dāng)具備較高的準(zhǔn)確性以及快速性，還應(yīng)當(dāng)具有實(shí)時(shí)性，這就需要控制器具有較高的計(jì)算能力。部分低端產(chǎn)品因?yàn)槌杀镜雀鞣N原因，控制器是采取的單片機(jī)，然而計(jì)算能力稍微有些不足。所以，為了實(shí)現(xiàn)3D 打印機(jī)滿足相應(yīng)的性能需求，應(yīng)當(dāng)利用計(jì)算能力更佳的控制器，并且，3D 打印也具有非線性強(qiáng)的問題，以及具有控制模型階次高的問題。所以，怎樣設(shè)計(jì)出更為先進(jìn)的算法來處理這些問題，也是后續(xù)3D 打印控制系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)做的。

4 結(jié)語

根據(jù)全文的分析，我們能夠更加全面地認(rèn)識(shí)到3D打印技術(shù)具有的重要意義，3D 打印技術(shù)涉及機(jī)械加工、汽車制造、導(dǎo)航系統(tǒng)以及其他很多領(lǐng)域。隨著3D 打印技術(shù)的快速發(fā)展，3D 打印技術(shù)面臨著關(guān)鍵性的發(fā)展機(jī)遇，因此應(yīng)當(dāng)努力發(fā)展3D 打印技術(shù)，重視研發(fā)3D打印技術(shù)，定期維護(hù)3D 打印技術(shù)系統(tǒng)，同時(shí)應(yīng)用科學(xué)合理的防范措施，使得3D 打印技術(shù)更好地服務(wù)于各個(gè)領(lǐng)域。

在實(shí)踐當(dāng)中，3D 打印技術(shù)不但對(duì)于工廠工作沒有較高的要求，同時(shí)也有著制造費(fèi)用明顯降低的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于發(fā)展中國家來說具有明顯的優(yōu)勢(shì)，可以有效提升生產(chǎn)能力。不過也有一些人認(rèn)為，盡管3D 打印技術(shù)應(yīng)用較為普遍，可以使得生產(chǎn)能力得到明顯提升，然而卻使得很多操作人員都失去了工作崗位，相比于傳統(tǒng)技術(shù)，自動(dòng)化水平較高，明顯縮減了人力資源的應(yīng)用。