基于3D打印机温度控制系统的设计

基于3D打印机温度控制系统的设计

张纾晗

珠海奔图电子有限公司    广东省 珠海市 519000

摘要：为了解决低温打印机生产中的问题，开发了基于STM32F1的温度控制系统，该系统支持市场常见的桌面级打印机。控制器由PTC散热模块、NTC温度传感器和涡轮风机组成。使用PID算法作为计算准确性能和实时控制PTC加热性能。测试结果表明，控制系统可以更好地控制打印机的环境温度，改善翘边现象，提高低温下的打印性能。

关键词：温度控制系统；3D打印机

因为制造增材独特优势，3D打印机广泛应用于快速成型，尤其是用于快速设计验证。随着技术的飞速进步，3D桌面打印机随处可见，但在应用程序的快速开发过程中，传统3D桌面打印机也存在问题。例如，如果环境温度较低，则边现翘。热床可以稍加改善，但对热床的要求较高，如果参数不适用于翘边依然明显。

一、3D打印技术的优势

1.高材料利用率和低成本。在传统的制造生产方法中，材料利用率仅为7%，而3D打印技术打破了结构的几何依赖性，产生了传统方法无法处理的非传统结构元素。3D打印仅在需要堆积材料，材料使用量接近100%，不仅节省时间，还可节省材料和生产成本。

2.快速生产。其可以打按需打印，客户将其要求发送三维设计进行，并使用3D打印机快速生成所需的工件。使用3D打印技术，也可以将工件组合成一个整体，消除组装需求，并降低组装与运输成本。

3.提高复杂零件的性能。影响零件性能的传统生产方法通常难以用于生产复杂零件。例如，反应器在实际运行期间产生大量热量。在反应器内添加网格结构散热，传统的零件生产方法难以生产，结构既耗时又昂贵，使用3D打印技术即可轻松完成这项工作。

4.实用设计，拓展创新空间。3D打印技术可以快速准确地将建筑概念转换为物理建筑模型，使建筑设计更加具体和直接。传统制造技术具有稳定的产品形状，生产形状的能力取决于所使用的工具。如传统木制车床只能制造圆形物体；轧机工具只能加工铣削刀具装配的零件；模具制造商只能制造形状；3d打印机可以突破界限，创新巨大空间，激发设计师的想象力。

5.模具开发提高成功率。3D打印在成本、速度和精度方面远远优于传统的制造方法，并且具有高度的灵活性、定制性和形状自由度。它越来越多地用于零件的快速制造，3D打印技术可以快速制作模具。在最终生产模具打开之前进行产品测试和小批量生产可以显著提高产品开发的独特成功率，并节省企业开发的时间和成本。

二、3D打印机温度控制系统的设计

1. 总体设计温度控制系统。恒温控制基于桌面级3D打印平台，主要由PTC加热模块、STM32控制器、涡轮风机、显示器和NTC温度传感器组成。由于3D打印平台电压为12V，温度控制系统还选择额定电压为12V的PTC加热模块和MOS管线的PTC加热组件。主控制器型号为STM 32 f103 48引脚主板。显示模块选择带有SPI端口的0.96英寸OLED屏幕。该显示屏可以安装在一个程序中，该程序可以控制PWM输出的温度、目标温度、频率、风机开关状态等信息，并监控和评估温度控制系统的工作状态。

2.设计控制程序。经典PID算法用于设计温度控制程序，因为系统是在一个闭环中控制的，所以温度传感器将温度值实时返回给控制器。在与用户指定的值进行比较后，启动PID算法来控制PTC加热器和涡轮风机的速度，并实时校正产生的误差的PWM输出。目前，最复杂的控制算法是模糊控制算法和PID控制算法、神经网络控制算法以及多种算法的混合控制。由于每种算法都有其自身的优势，PID算法无需输出复杂的控制参数即可获得良好的结果。温度控制系统具有良好鲁棒性，根据实际情况和需要PID增量式控制。

3.控制试验。测验在为温度控制系统创建一个完整的硬件平台后，将PID控制编写PC，然后将编译的程序加载到控制器上，以运行整个温度控制系统，绘制和分析测试数据，并实时配置经过多次测试，参数PID提供了最佳控制参数P=2，I=1。在真实的打印效果中，没有任何卷边能够满足预期的设计要求。通常，设定温度在30秒内达到，并在50秒内稳定在50℃，以完全满足打印要求，这表明控制器运行良好，设计符合要求。

三、如何控制3D打印机的温度：

1.温度传感器。是一种将外部检测到的温度信号转换为电路中有用电信号的设备，包括金属热阻、热电偶、新型集成温度等。金属热电阻或热电偶通常用于工业温度控制系统，而新型集成温度感测器用于小型温度计电路。3D打印机选择连接到打印材料的温度传感器。目前，常用的3D打印材料包括PVC、PBS、ABS等。这些聚合物材料100-280℃温度。对于温度测量，铜电阻不理想，热电偶温度范围的温度测量较高，但考虑到温度测量较低，不足测量精度。因此，铂电阻用作三维打印头的温度控制传感器。

2.闭环温度控制系统。其温度控制系统不仅对控制打印机的正确操作至关重要，而且对与打印结果和质量直接相关的操作也至关重要。打印材料在加热器中熔化和加热，并在印刷开始时从打印头开始挤出，然后指定不同的温度，因为不同的材料具有不同的熔点。此外，打印时打印的材质必须始终熔化，因为这会影响效果。温度过高会使喷嘴出口粘滞，影响图案的效果，甚至导致图案变形；温度过低时，材料强度会加快，无法与其他材料组合甚至喷出，打印失败。

综上所述，在3D打印平台上，环境温度运作正常且无翘边，系统会快速响应环境温度的变化，并实时调整打印环境温度以适应恒定的打印环境。温度控制的有效性，整个温度控制系统可应用于其他3D打印机。

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