3D打印噴頭的溫度分析及控制策略研究.pdf

1、3D打印技術也稱為快速成型，是一門新興的技術。基于融熔擠制沉積成型(FDM)的3D打印技術發(fā)展迅速，具有成型材料廣泛、成型設備要求低、操作簡單、工作環(huán)境要求低等優(yōu)點，其涉及到材料、機械、電子、軟件等領域。噴頭是基于FDM的3D打印的關鍵部件之一，其機械結(jié)構(gòu)復雜，電機速度與溫度穩(wěn)定性是保證噴頭吐絲連續(xù)均勻的關鍵。因此，噴頭電機驅(qū)動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噴頭的基礎上，進行了機械結(jié)

2、構(gòu)優(yōu)化，有效地解決了FDM噴頭的打滑和堵塞問題，為了精確控制步進電機，本文對步進電機進行加減速控制，實現(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結(jié)合，獲得了溫控控制的重要參數(shù)，設計了PC端管理軟件，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實時檢測、處理和存儲。
　　本文一共分為四部分，第一章介紹了3D打印技術國內(nèi)外研究和發(fā)展概況、應用領域、應用前景、關鍵技術;概述了FDM工作過程

3、、機械結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)加工的差異性;闡述了3D打印在材料和設備方面的難題。FDM噴頭在電機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。
　　第二章主要介紹了3D打印技術的工作原理，對FDM噴頭進行了機械結(jié)構(gòu)設計，對機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，使FDM噴頭更加滿足吐絲、溫控和操作要求;計算出了擠出機構(gòu)的驅(qū)動力，設計了FDM噴頭的擠出機構(gòu)的電機驅(qū)動電路，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、確控制步進電機的速度，避免失步，采用了加減速控制，并對步進電機速度控制進行了實驗測量，實現(xiàn)了5段S加減速控制。
　　第三章針對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PID控制和模糊控制的實現(xiàn)進行詳細的分析。
　　第四章搭建了FDM噴頭

5、溫控測試的硬件平臺，設計了溫控實驗的測試軟件和PC界面，便于實時監(jiān)控溫度和調(diào)整參數(shù)，進行了PID溫控和模糊溫控對比實驗。
　　實驗結(jié)果表明:在FDM噴頭中，電機的啟動速度為60r/min，電機最高運行速度為600r/min，采用5段S加減速控制實現(xiàn)步進電機起停控制，使步進電機得到了精確的控制，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)定時間為105s（PID溫控中控制精度為1℃，超調(diào)量為1