3D打印噴頭的溫度分析及控制策略研究.pdf

1、3D打印技術(shù)也稱為快速成型，是一門(mén)新興的技術(shù)?；谌谌蹟D制沉積成型(FDM)的3D打印技術(shù)發(fā)展迅速，具有成型材料廣泛、成型設(shè)備要求低、操作簡(jiǎn)單、工作環(huán)境要求低等優(yōu)點(diǎn)，其涉及到材料、機(jī)械、電子、軟件等領(lǐng)域。噴頭是基于FDM的3D打印的關(guān)鍵部件之一，其機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電機(jī)速度與溫度穩(wěn)定性是保證噴頭吐絲連續(xù)均勻的關(guān)鍵。因此，噴頭電機(jī)驅(qū)動(dòng)與溫度控制研究具有重要的意義。
　　本文根據(jù)先前FDM噴頭的缺陷，在傳統(tǒng)FDM噴頭的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了機(jī)械結(jié)

2、構(gòu)優(yōu)化，有效地解決了FDM噴頭的打滑和堵塞問(wèn)題，為了精確控制步進(jìn)電機(jī)，本文對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行加減速控制，實(shí)現(xiàn)了5段S加減速曲線。建立了有限元分析模型，為溫控參數(shù)提供了必要的依據(jù)，將Bang-Bang控制、PID控制和模糊控制有機(jī)結(jié)合，獲得了溫控控制的重要參數(shù)，設(shè)計(jì)了PC端管理軟件，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)檢測(cè)、處理和存儲(chǔ)。
　　本文一共分為四部分，第一章介紹了3D打印技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究和發(fā)展概況、應(yīng)用領(lǐng)域、應(yīng)用前景、關(guān)鍵技術(shù);概述了FDM工作過(guò)程

3、、機(jī)械結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)加工的差異性;闡述了3D打印在材料和設(shè)備方面的難題。FDM噴頭在電機(jī)速度和溫控方面要求較高，探討了PID控制和模糊控制基本理論，指出了本文的重點(diǎn)。
　　第二章主要介紹了3D打印技術(shù)的工作原理，對(duì)FDM噴頭進(jìn)行了機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，使FDM噴頭更加滿足吐絲、溫控和操作要求;計(jì)算出了擠出機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力，設(shè)計(jì)了FDM噴頭的擠出機(jī)構(gòu)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，F(xiàn)DM噴頭擠出的速度和吐絲穩(wěn)定直接影響FDM噴頭的成型質(zhì)量，為了精

4、確控制步進(jìn)電機(jī)的速度，避免失步，采用了加減速控制，并對(duì)步進(jìn)電機(jī)速度控制進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了5段S加減速控制。
　　第三章針對(duì)FDM噴頭建立初步的熱分析有限元模型，確定有限元的初始條件、幾何條件、物性和邊界條件等，在SolidWorks環(huán)境下建立了熱分析有限元仿真的模型，獲得FDM噴頭的溫度分布，為后續(xù)的溫度控制提供必要的依據(jù)。根據(jù)FDM噴頭溫控的要求，對(duì)PID控制和模糊控制的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行詳細(xì)的分析。
　　第四章搭建了FDM噴頭

5、溫控測(cè)試的硬件平臺(tái)，設(shè)計(jì)了溫控實(shí)驗(yàn)的測(cè)試軟件和PC界面，便于實(shí)時(shí)監(jiān)控溫度和調(diào)整參數(shù)，進(jìn)行了PID溫控和模糊溫控對(duì)比實(shí)驗(yàn)。
　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在FDM噴頭中，電機(jī)的啟動(dòng)速度為60r/min，電機(jī)最高運(yùn)行速度為600r/min，采用5段S加減速控制實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)起?？刂?，使步進(jìn)電機(jī)得到了精確的控制，有效的避免了失步現(xiàn)象。在FDM噴頭的模糊溫控中，控制精度為2℃以內(nèi)，超調(diào)量為3％，穩(wěn)定時(shí)間為105s（PID溫控中控制精度為1℃，超調(diào)量為1