3D打印技术过程控制问题研究进展

李轩　　莫红，　　李双双　　王飞跃

3D打印技术过程控制问题研究进展

李轩1莫红1，2李双双2王飞跃2

3D打印技术是一种新兴的增材制造技术，许多人认为是一项将要改变世界的“破坏性”技术，并声称该技术将引发新一轮工业革命.本文根据3D打印技术涉及的不同核心成型技术、材料和设备体积等，介绍了3D打印技术的不同分类，综述了主流3D打印过程控制技术，指出了3D打印技术的控制系统存在的问题并提出了产业化进程中的建议和意见.

3D打印，增材制造，控制系统，产业化进程

引用格式李轩，莫红，李双双，王飞跃.3D打印技术过程控制问题研究进展.自动化学报，2016，42（7）:983-1003

3D打印的思想自古有之，早在房舍的构建技术中就有所体现，现代意义上的3D打印技术于上世纪80年代中期诞生于美国，3D打印技术以3D模型文件为蓝本，将打印材料以特定方式逐层堆积以构建三维实物.

进入21世纪，国内外大力推出多项3D打印相关政策或计划.德国联邦教研部（Bundesministerium f¨ur Bildung und Forschung，BMBF）多年前就针对3D打印技术提出长期的发展计划，2011 年5月推出的“德国光子学研究”涉及到对3D打印技术研究的资助［1］.2012年8月，奥巴马拨款3000万美元，在俄亥俄州建立了国家级3D打印工业研究中心（National Center for Defense Manufacturing and Machining，NCDMM）［2］.我国科技部于2012年发布的“国家高技术研究发展计划（863计划）”就包括了3D打印产业，并且国家科技重大专项以及国家自然科学基金等科研规划中也对3D打印技术给予了极大的支持.2015年2月28日，3D打印产业迎来了首份国家级发展推进政策，工信部正式发布“国家增材制造产业发展推进计划（2015-2016年）”（简称“计划”）.“计划”指出，鼓励在材料生产方面具有优势的企业从事3D打印专用材料的研发和生产，针对航空航天、汽车、文化创意、生物医疗等领域的重大需求，突破一批专用3D打印材料［3］.随着世界各国的大力推进，3D打印技术渗透到学术科研、珠宝、工业设计、建筑及众多个性化设计领域.每个行业领域的应用份额如图1所示.

本文安排如下：第1节介绍3D打印技术的分类；第2节论述主流3D打印技术过程控制问题研究进展；第3节为3D打印技术的展望.

1　3D打印技术的分类

3D打印技术的分类现如今没有形成统一标准，按照成型技术原理可划分为熔融沉积成型技术（Fused deposition modeling，FDM）、选择性激光烧结技术（Selective laser sintering，SLS）、分层实体制造技术（Laminated object manufacturing，LOM）、立体光固化技术（Stereo lithography appearance，SLA）、三维打印粘接成型技术（Three dimensional printing and gluing，3DP）、数字光处理技术（Digital light processing，DLP）、多头喷射技术（PloyJet）、选择性激光熔化技术（Selective laser melting，SLM）、直接金属激光烧结（Direct metal laser sintering，DMLS）、电子束熔炼技术（Electron beam melting，EBM）等；按照设备的体积可以分为：桌面级、中型、大型3D打印机；按照用途可以分为：航天、军用、工业用、民用3D打印机等.本文结合打印材料和成型原理，将3D打印技术分为5大类：1）以热塑性塑料为材料的FDM技术；2）以纸、金属膜、塑料薄膜为材料的LOM技术；3）以石膏粉末、陶瓷粉末为材料，胶水粘接成型的3DP技术；4）以液态光敏树脂为材料的光聚合成型技术，包含SLA、PloyJet、DLP等成型技术；5）以金属、合金、热塑性、陶瓷等粉末为材料，激光烧结/熔化成型技术统称为激光粉末成型技术，包含：SLS、DMLS、SLM以及EBM技术等，如表1所示.本文后续章节将按照表1的技术分类逐一对主流3D打印技术过程控制问题的研究进展详细介绍与说明.

图13D打印市场的行业应用份额Fig.1　The industry application shares of 3D printing market

2　3D打印技术过程控制研究现状

3D打印是一项融合机械工程技术、计算机软件技术、三维模型技术、数据处理技术、激光技术等多种学科的技术.通过对控制技术的改善和创新，3D打印技术逐渐走向高速化、精确化、准确化.3D打印成型技术的不同直接体现在其过程控制系统上.本节主要介绍3D打印技术中运用广泛的打印技术过程控制系统：1）熔融沉积成型控制系统；2）光聚合成型控制系统；3）激光粉末成型技术控制系统.目前广泛应用的3D打印过程控制系统，如图2所示.

图23D打印过程控制系统分类Fig.2　The classification of 3D printing process control system

2.1熔融沉积成型控制系统

表13D打印技术的分类Table 1　The classification of 3D printing technology

熔融沉积成型控制研究起源于上世纪90年代，伴随电子控制设备发展的突飞猛进，以及3D打印产业对产品制造速度、质量、精度要求的不断提高，相关行业规则的日益苛刻，促使新技术、新算法、新设计不断应用到该技术.熔融沉积成型技术是将材料热熔后挤出成型，该技术动作需要控制系统组合完成，其中硬件设备主要包括：热熔喷头、送丝机构、运动机构、加热成型室、工作台5个部分，如图3所示.成型开始前，运动机构将进行成型室的定位，采用限位开关保证运动机构的行程范围.然后，加热成型室控制升温并使温度保持在70◦C，热熔喷头将温度上升至210◦C，该温度下熔融ABS（Acrylonitrile butadiene styrene）或PLA（Polylactide）材料既可保持一定的流动性又能保证很好的打印精度.随后送丝机构按照设定的成型速度挤压送丝，同时运动机构按照计算机设定路径进行X、Y轴方向二维扫描.当一层扫描完成后，运动机构向Z轴方向上移一层，然后热熔喷头再进行下一层的运动，新固化的一层牢固地粘在前一层上，如此重复直到整个零件制造完毕，得到一个三维实体模型，整个过程中热熔喷头和成型室温度保持恒定.这些硬件设备作为独立的子控制模块组成复杂的熔融沉积成型设备，该设备以上位机发送的切片数据为输入，由内部控制主板统一控制.

图3　熔融沉积成型控制系统Fig.3　FDM control system

熔融沉积成型控制子系统介绍：1）热熔喷头控制；2）送丝机构挤出控制；3）运动机构扫描路径控制；4）加热成型室控制；5）设备运动控制.

2.1.1热熔喷头控制

热熔喷头是影响熔融沉积成型技术成型最重要影响因素之一，热熔喷头主要任务是控制加热过程及内部温度，其次是调整喷嘴口径大小.喷头的温度要求极其严格，温度过高会导致材料过热，出现碳化及延流现象；温度过低，无法将材料热熔完全，影响打印效果.因此，喷头加热、温度控制及喷嘴设计的控制很重要.

FDM熔融沉积成型技术中，喷头的进料方式主要有两种：美国Stratasys公司开发锥型螺杆喷头［4］和柱塞式喷头［5］.锥型螺杆的喷头由第一级送料机构、第二级加压送料机构、加热和温控装置以及喷嘴组合而成，送丝机构将材料送到第二级入口，由螺杆依靠额外的电机驱动旋转送料.在喷头的推广和市场运用上，锥型螺杆式喷头占有优势，因为螺杆式喷头［6］结构简单、控制方便、易于实施并且能够提高挤出材料的速度、粘度和流量的均匀性，有利于更快地构造零件，提高快速制件的尺寸精度.Batchelder等研究出能够提供动态熔融流体流量控制的热熔喷头.整个系统包括机械驱动装置、送料装备和热熔喷头，该喷头分为多区域管理，可以让熔融材料的温度得到更好的控制，整体系统采用基于测量压力的控制器组件配置，使得挤出材料流量驱动机构和消耗材料进给率成为闭环控制［7］.de Castro等探究了螺杆式喷头在控制温度、材料挤压等工艺参数变化情况下的成型效果，指出螺旋挤压喷头可以让FDM打印机在未来实现粉末材料打印［8］.彭勇刚等研发了一种基于多段温度控制的FDM 3D打印喷头及温控方法［9］，利用打印喷头各段温度对应渐变的控制方法，保证FDM打印材料时刻保持在可打印状态，不会出现由于单一温度控制，引起温度过高或者过低造成的工层坍塌、破坏以及堵塞情况，避免了传统打印喷头堵塞和断丝现象，提高了成型产品的质量.随着控制技术和温度测量传感技术的发展，更加精确的喷头温控得到保证.通用的温度控制，采用可控硅和温控器相结合，利用温控器自带的传统PID算法来实现［10］，但是仅仅采用单一的PID控制方法，其闭环系统的鲁棒性、动态响应速度较慢，使得喷嘴温度由常温上升到给定值时间长，动态响应速度慢，影响加工效率、使得控制性能难以得到可靠保证；同时，在喷头接近给定温度时，没有调整措施，使得超调量大，严重影响材料熔融效果，甚至出现材料碳化现象.模糊控制［11］的出现很好地弥补了PID控制的上述缺陷，模糊控制能较好解决被控对象非线性问题，具有优秀的动态响应特性和强鲁棒性，使其成为控制领域的代表.但是，模糊控制也存在缺陷，由于模糊规则以及隶属度函数的确定受限于等级设定，因此会存在过渡时间过长等问题.文献［12］讨论了模糊控制和PID控制各自的优点，提出一种基于模糊—PID方法对GDM热熔喷头进行温度控制，通过对比单纯的PID控制盒模糊控制，该方法具有以下优点：基本做到了无超调，只有升温过程中稍有波动，温度的输出值基本与给定值一致.文献［13］提出了一种新的熔融成型技术，该技术可以产生连续的熔融滴状流体.同时有一个熔料的储集层，在喷嘴中引入一个感应加热系统，将金属丝的尖端熔化，并在喷嘴处选择适当的熔滴流速V、功率N、压力∆P1、喷嘴孔直径d0的稳定喷射关系（如表2所示）.熔滴以稳定的流速流出，使系统成为一个连续熔融滴流成型技术.

2.1.2送丝机构挤出控制

FDM技术的送丝机构具有承上启下作用，主要任务是在成型过程中，熔融状态的材料不断从喷嘴挤出，需要保证原始状态的材料可靠地、匀速地进入喷头.送丝驱动结构采用一台或多台电机带动不同结构的摩擦轮对材料驱动，材料被驱动进入喷头时对受热熔融材料产生一定压强，让熔融丝材以稳定的速度挤出.

表2　参数V，N，∆P1和喷嘴孔直径d0稳定喷射关系Table 2　The stable jetting relations of the parameters V，N，∆P1and diameter d0of the nozzle orifice

确保驱动力足够，首先应该从装置方面改进.增大摩擦轮的摩擦力将有效提高驱动力.文献［14］是Stratasys公司公开的FDM技术3D打印机丝料盒与丝料盒接收器，在实例中可以防止细丝受潮.文献［15］是Stratasys公司一种FDM系统，装有驱动机构，所述的驱动机构用于供给细丝束以形成模型，其中电机采用精确伺服电机，包括编码器，所述的驱动辊为沟道设计，包含一系列锯齿状，用于增加摩擦系数.文献［16-17］介绍了不同驱动轮的改进和送丝驱动力计算.文献［16］基于主从轮驱动，并提出主动轮上开V槽的改进结构，建议驱动摩擦轮V槽卡角为30◦C带来的摩擦力最大.

国内大多FDM打印机采用步进电机提供驱动力，如华中科技大学研制的HRPR系列FDM打印机采用的Lakeside（雷赛）公司的步进电机及驱动器作为系统的执行元件.由于步进电机控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，国外采用的伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠.Ding等分析了送丝快速成型技术（Wire-feed AM technology），该技术使用的焊丝直径0.2～1.2mm、激光功率为1.2kW和2.06kW时，焊丝进料速度分别为1～2 米/分钟，焊接尺寸在优化的基础上，力图采取调整焊接参数的方法来解决“台阶效应”［18］.文献［19］基于模糊算法的伺服电机系统，研究了模糊算法在基于微处理器伺服电机控制的可能，对比了模型参考自适应控制（Model reference adaptive control，MRAC）、PI控制算法后，通过大量的实验设计和仿真总结得出：伺服电机由经验丰富的设计者来设定模糊算法规则和期望值时，在稳态误差、响应时间、稳定时间等重要参数上有明显的优势.针对可能出现的丝材粗细不均匀、温度引起的熔融状态丝材阻力变化和抖动等外部干扰，文献［20-21］给出了自适应滑动模型控制，该研究设计了总滑块模型系统，其对外界参数变化和外部环境干扰有很强的抵抗能力；通过仿真和实验验证了自适应滑块模型系统在控制伺服电机较总滑块模型系统时有更好的抵抗外界干扰和防抖动能力.

2.1.3运动机构扫描路径控制

影响熔融沉积成型模型制件精度以及翘曲形变的因素很多［22］，例如材料性能、喷头温度和成型室温度影响、填充与挤出速度、三维软件及扫描路径等.FDM技术精确成型是需要整体协同配合，其中的扫描路径从形态上直接影响模型质量和加工效率，所以研究扫描路径及优化就显得异常重要.

通常情况下，3D 打印模型处理流程如下［23］：1）建造三维模型，由三维设计软件，设计出模型的CAD实体；2）模型的三角网络化，模型设计后，专业CAD软件都自带转换和输出STL格式文件功能，STL文件是将模型用一系列小三角形平面逼近原型的处理，是3D打印领域的标准接口文件；3）对三维模型进行切片处理，生成的STL文件模型在Z轴上用等间隔平面切出面片；4）扫描路径的生成，在切除等间距面片后根据截面轮廓信息设计扫描路径.一个优秀的扫描路径要做到如下几个方面：首先，减少空行程，即减少扫描头的跳转次数；其次，减少拉丝现象；再次，成型时应有好的强度，有利于减少层间应力和翘曲变形；最后，优化扫描机构的运行状态，减少噪音和震动，即缩短成型时间并提高成型精度.Onuh等提出发散星形和对角发散星形扫描思想，该方法从图形中间开始扫描，采用X或Y方向以及对角填充方式［24］，这一方法也叫做并行扫描［25］可以减少整层的收缩应力和削弱翘曲形变效应.然而，这一方式缺点也很明显，将会导致高度的结构各异性，即整个过程是非连续性路径，方向的各异性引起频繁的速度变化，同时增加了扫描路径的空行程，使得整个成型时间增多.Wasser等介绍了一种退火算法构造方式，允许单一路径进行连续填充任意形状的横截面，该方法将区域分为多个节点，节点的数量取决于精度要求，采用最近区域优先填充方法，减少了空行程的路径，提高了扫描效率［26］.Kim和Bertoldi等采用Delaunay三角剖分算法将横截面和将要填充的三角形空间分解为希尔伯特曲线，然而这种方法只适用于成型高度规则的对象，不适用于任意边界对象［27-28］.文献［29-30］构建了轮廓平行扫描，运用等轨迹生成算法来提高扫描效率和表层精度，该方式扫描线沿平行于边界轮廓线的方向进行扫描，此方法空行程少，但是这种扫描矢量生成算法设计多边形的复杂操作，形成路径时间过长.为了减小扫描路径的起始和停止点，加强路径规划和表面精度要求，文献［31］提出了一种路径扫描算法能有效解决上述两种问题.首先，算法采用分治策略将二维几何图形分解为一组凸多边形；随后，对于每一个凸多边形，使用Z字形和轮廓图案策略组合的方式来确定最佳的扫描方向；最后，将所有的单独子路径连接形成一个封闭的曲线路线.表3对比了已存在的混合路径算法和所提出算法的路径比较，一般情况下混合路径算法根据几何图形不同的复杂度扫描路径在6～11步数之间，而提出的算法扫描路径步数为1.同时，路径元素也大幅度降低，因此在该扫描路径下，可以有效加强路径规划和表面精度.

图4　表3中的路径图案Fig.4　Path patterns in Table 3

表3　已存在的混合路径算法和所提出算法的路径比较Table 3　Comparison of the proposed method with the existing hybrid method

2.1.4成型室温度的控制

成型室温度是指模型成型时，从喷头挤出丝材时所处的工作室温度.喷头温度和成型室温度有一定关联性，都需要控制在一定的合理范围内，它们共同影响着成型零件的热应力大小和表面精度质量.

早期的研究大多集中在硬件设备的设计上. 1999年美国Stratasys公司最早提出成型室温度控制，给出了关于材料冷却时间与膨胀系数、应力松弛量、粘度等的关系图，指出挤出材料应该以一种逐渐降温冷却的形式使温度低于其凝固温度才能使得模型翘曲形变和扭曲变形尽可能地减少［32］.得到最大允许梯度如下：

其中，线性梯度温度dT/dz表示存在于特定材料中，层厚为h并指向z方向的温度变化，α为恒定热膨胀系数，r为圆柱的半径，L为模型最大水平长度，δ为最大许可几何失真.

2004年，Stratasys公司设计了一种高温控制模型装置［33］：在模型成型时，成型室内维持150◦C.随后，人们开始运用理论分析和软件模拟控制模型的温度变化情况.文献［34］在Matlab软件的基础上，运用邻接矩阵算法模拟了两种不同扫描情况下，熔融丝材的传热模型输出效果，确定了熔融丝材随着时间的推移温度演变规律及热应力变化.然而，熔融沉积成型是一个材料从液态转变为固态的变形过程，整个过程中热量的输入和传播贯穿其中.在文献［34］的基础上，相关研究人员又提出熔融沉积成型温度场有限元模拟及分析.由于成型过程模拟属于瞬态热分析，并且是非线性问题，计算难度较大.文献［35-36］采用瞬态非线性热传导理论，应用ANSYS的APDL语言基础下，对ABS材料进行了熔融沉积成型温度场的有限元模拟，并得出了以下温度场的分布规律：1）在X、Y方向下温度场的分布较为均匀.2）在成型过程中，热影响区域是逐渐增大的，开始的时刻热影响部分区域，温度梯度大，随后的时刻热影响区域增大，温度梯度减小.3）随着成型过程的进行，热影响区域增加的情况下，温度增加趋于缓和.

2.1.5设备运动控制

FDM系统中设备运动控制就犹如身体躯干一样重要，从打印过程知道，FDM设备控制系统包括X、Y、Z三轴运动.其中，X、Y轴带动喷头在二维平面上扫描出路径，Z轴带动工作台实现二维到三维的转变.所以，三轴的精确定位和运行速度将决定整个执行机构的性能.

设备运动控制系统包含两个部件的运动控制，分别是喷头的X、Y轴运动控制和工作台Z轴运动控制，具体硬件设备由Stratasys公司注册专利，文献［37］设计了一种数字化可调装配平台制造系统，使用限位开关，控制喷头和平台的运动范围，并且配有XY平面和Z方向的补偿纠偏措施.此外，International Business Machines Corporation文献［38］提出一种基于打印路径和环境变化下微型计算机，自动计算电机驱动电压值来控制设备的运动方法.接下来，研究人员从硬件配置和算法问题来考虑设备运动控制系统.文献［39］提出了一种基于DSP数字化的控制应用方法，该方法以PID控制算法为核心，硬件以Texas Instruments（TI）德州仪器的TMS320F2812（简称F2812）DSP为基础，将PID控制算法运行在DSP环境上，DSP自动产生所需代码和相应的PWM脉冲宽度调制信号驱动步进电机运行.DSP-2 RCP方案流程如图5所示.

图5DSP-2 RCP方框图Fig.5　DSP-2 RCP block scheme

Ricci等设计了一种基于FPGA（Field programmable gate arrays）的快速成型技术变速调控平台［40］，该设计使用FPGA现场可编程门阵列代替DSP作为控制器的实现形式，优势在于借助硬件仿真模型缩短了设计和成型时间，调试时间也可以相应缩短.同时，采用FPGA控制平台可以使用更为复杂先进的控制算法，该设计就分别采用了模糊控制、神经网络、自适应控制算法控制电机和平台的运行.主从式控制系统有其独特的实时性优点，现在也运用在快速成型技术上.清华大学［41］提出新型运动控制器（Motion controller，MCT），该控制器为系统的核心，工业控制机为系统支撑单元的双CPU开放式数控系统.该系统采用功能强大的运动控制器MCT承担插补计算、位置控制、速度控制等实施任务，满足了快速成型技术对实时控制系统的要求. 2.2光聚合成型控制系统

光聚合成型技术起源于上世纪80年代，是最早研发的3D打印成型技术之一.一直以来研究机构持续对该技术进行深入研究，使其成为技术成熟、应用广泛的一种3D打印成型技术.光聚合成型技术包含：SLA（Stereo lithography appearance）立体光固化技术、PloyJet多头喷射技术、DLP（Digital light processing）数字光处理等技术，下面主要介绍的是SLA立体光固化技术.

SLA技术由工作台升降系统、光敏树脂液位检测与控制系统、光敏树脂涂层系统、激光扫描系统、温度控制系统和计算机检测系统等部分组成，如图6所示.成型开始时，光敏树脂液位检测与控制系统将液面下降一个确定的高度，使得液面处于激光的聚焦平面上，激光扫描系统按照计算机的指令进行聚焦并控制振镜式激光扫描控制系统按照设定路径逐点扫描，即进行逐层点固化.当一层扫描完成后，未扫描到的部分光敏树脂仍为液体状态，光敏树脂液位检测与控制系统再下降一层高度，此时光敏树脂涂层系统使已成型层面上布满一层光敏树脂，刮平器将粘度较大的树脂液面刮平，然后再进行下一层的扫描，新固化的一层牢固地粘在前一层上，如此重复直到整个零件制造完毕，得到一个三维实体模型.

下面介绍上述控制子系统的研究概况：1）振镜式激光扫描控制；2）激光扫描路径控制；3）光敏树脂液位检测与控制；4）光敏树脂涂层控制；5）成型精度误差控制.

2.2.1振镜式激光扫描控制

3D打印技术最初研发过程，研发人员便试图将激光加工技术的理念引入，即激光固化光敏树脂成型.激光扫描系统［42］由激光器、扫描器件、光路转换器件、接收装置及需要的反馈系统构成.光束扫描在工作区域是由扫描器件接收控制信号完成，扫描器件分为许多种，例如：机械式绘图扫描器、声光偏转器件、振镜扫描器件等，而振镜式扫描系统由于快速、高精度等性能特点，广泛应用于3D打印技术中.本节将介绍振镜式激光扫描控制系统.

振镜式激光扫描控制经过多年的研究，发展相对成熟，特别是德国的ScanLab公司以及美国的GSI公司、Nutfield公司等出售振镜扫描系统，价格十分昂贵，国内的上海通用扫描公司、北京世纪桑尼科技有限公司是国产振镜扫描系统的制造公司.目前，振镜式激光扫描系统应用最多的领域是激光打标、激光快速成型以及激光的扫描与显示，例如在3D打印中的立体光固化技术就是采用振镜式激光扫描系统，使整个成型系统能够高效、快速、高性能成型.振镜扫描是光机扫描方式，即控制机械装置的运动来掌握光束的偏转，完成激光光束在扫描界面的移动.振镜式激光扫描系统［43-44］主要有两种：第一种是利用F-Theta透镜聚焦方式，也称二维振镜式激光扫描系统（静态聚焦系统）一种专业的透镜系统，其工作原理如图7所示，目的是将激光束在整个平面内形成均匀大小的聚焦光斑；第二种是动态聚焦方式的三维振镜式激光扫描系统（动态聚焦系统），具体应用根据实际扫描视场、工作面聚焦光斑的大小、性价比、工作距离等方面来决定使用哪种聚焦系统.

图6　光聚合成型控制系统Fig.6　SLA forming control system

图7　F-Theta透镜聚焦方式Fig.7　F-Theta lens focusing method

文献［45-46］针对聚焦系统位置的不同，把二维振镜式扫描又分成了两种扫描类型，即物镜前扫描方式和物镜后扫描方式.物镜前扫描指光束先经过偏转器偏转，然后由F-Theta透镜将光束聚焦；物镜后扫描指光束先经过F-Theta透镜聚焦后，再通过偏转器将光束进行偏转扫描.动态聚焦方式相对于静态聚焦方式采用的控制方式更加复杂，动态聚焦方式的振镜式激光扫描系统［47］原理：激光器发射光束经过扩束镜，得到一系列平行光束，光束通过动态聚焦系统的聚焦以及物镜组的光学放大后，依次投射到X轴和Y轴振镜上，经过两个振镜的二次反射到工作台面上，形成扫描平面上的扫描点.如果立体光固化技术的成型尺寸大于1000cm3，并且要求成型精度非常高的情况下，这时候需要采用动态聚焦的扫描系统，文世峰深入研究了将动态聚焦振镜激光扫描系统应用在立体光固化成型技术上的可行性，分析了基于PC的数控系统实现对输入图像的复杂插补算法、数据的模型转换、图形校正算法以及通过中端控制方式实现对插补后的扫描点高速、准确地定位控制，并通过对焦距进行动态的调节，确保在工作时整个扫描工作区域的扫描点都处于焦点位置.振镜式激光扫描控制系统在实际运用中会出现图形扫描的线性失真和非线性失真现象［48-49］，随着扫描图形尺寸增大，模型成型质量将会受到影响.基于上述问题，文献［50］应用了一种针对3D打印技术中振镜式激光扫描系统的二次曲线拟合校正算法，一方面消除激光在图形扫描中出现的线性失真和非线性失真；另一方面可以校正激光扫描过程中产生的综合误差.当激光发射至工作平面上任一点（x，y）时，能够得到激光在整个平面上的扫描轨迹函数为

表4　振镜校正实验数据Table 4　Vibrating mirror calibration experiment data

2.2.2激光扫描路径控制

立体光固化技术的成型精度依赖激光扫描的控制方式，对于扫描路径系统而言，系统的扫描精度、重复定位精度、稳定性和激光的强度控制非常关键［51］.

激光扫描特点：扫描速度快、转角范围大、精度高、易于控制等，是立体光固化技术理想的扫描器.激光扫描的关键性能指标分别是漂移误差、光束强度检测、激光准确定位精度.针对这三个性能指标，美国3D Systems公司设计了一种立体光固化技术的漂移定期校正装置和方法，该装置采用光束传感器和光电探测器确定漂移误差，并通过漂移校正算法补偿漂移误差和指针机构重复性扫描的精度问题［52］；还设计了一种立体光固化技术的光束强度和功率检测装置和方法，设备通过光束分析传感器对光束移动进行检测，计算机借助相关软件控制光束扫描机构的运动，使光束传过设备分析传感器小孔检测出光束宽度和深度分布强度情况［53］.表示如下：

式中，k为功率校正因子.element为点在（m，n）阵列上光束测量部分，每个element（m，n）有一个强度读数 I（m，n）在单位功率或强度下，element（m，n）为

当光束以v（mm/s）匀速沿着y轴移动时，总行程为s，曝光和能量均匀的情况下：

式中，SS和SP为速度V的相应参数，

当曝光在（m，z=0）条件下时，

对于任意位置x（m），固化深度Zc（m）如下所示：

Spence ST和Almquist TA设计了一种用于立体光固化技术激光校准和规范化的装置和方法［54］，该装置带有多个传感器并固定在工作介质指定表面，利用线性内插技术指定特定工作表面，该定位方式使激光准确定位在指定的工作区域表面.随着科技发展，更多的研究人员加入到提高激光扫描的性能指标研究中，文献［55-56］提出了激光光斑位置漂移校正方法，目的是补偿扫描系统零点漂移和增益漂移误差，并且设计了一整套检测系统，该系统采用反馈调节，使激光光斑位置漂移得到及时校正.文献［57］提出了在加式制造中的激光性能控制的实现方法，工业制造过程中，对产品的品质要求非常高，产品制造过程中有许多品质管理模块（如粉末质量、温度控制、激光路径分析与控制、气体过程控制等），文章根据内联过程控制提供先进性决策来提供实时可靠的激光路径分析与控制.

文献［58］消除加速度变化引起的过固化影响，在振镜扫描系统加速、减速阶段的扫描特性研究的基础上，提出了匀速扫描固化概念.通过实验实现了不同扫描速度下匀速扫描的时间范围、空间区域以及向量端点外延距离的计算公式，随后，用控制软件实现了匀速扫描固化.文献［59］设计了提高激光扫描路径精度和效率的方法.文献首先分析激光扫描路径出现的4个问题：1）相关端点模糊（激光扫描时由于路径跳转存在空行程，在空行程路径上由于激光光束关闭不及时造成的光束影响）；2）惯性效应（在使用旋转镜头时惯性影响，最终使需要的尖角成为了弧线段）；3）闪烁效应（激光不能在屏幕上形成稳定的图形）；4）激光强度不规律变化（激光光束能量和速度调节不合理造成）.针对上述问题通过空行程的优化、减少空行程路径、拐角行走路径优化、增加激光开关所需的延时等手段，同时采用深度优先搜索算法以及Hierholzer算法，经过实验，验证了该方法提高激光扫描路径的精度和效率.

2.2.3光敏树脂液位检测与控制

从立体光固化成型技术的原理可知光敏树脂液位的稳定性是保证其成型精度的重要指标.在模型打印过程，如果光敏树脂液位变化没有得到及时检测与控制，将会造成模型的形状误差.研究表明［60］，若液位过低，固化层厚将小于设定液位层厚，引起模型的形状误差，发生模型过固化.如果固化层厚大于设定液位层厚，会导致固化不完全，层间粘黏力小，模型易被剥离.因此，液位的稳定性对于加工顺利起关键性作用，必须对液位的高度进行严格的检测和控制.

光敏树脂液位检测与控制采用激光三角法［61］非接触式激光距离检测技术，激光三角法按照光线入射方式又可以分为直射式和斜射式.立体光固化成型技术利用直射式检测树脂液面高度，Farnsworth设计了一种直射式液面深度精确控制的方法和装置，由计算机控制激光测距仪系统直射入液面，实现立体光固化液位闭环控制.直射式检测方法容易受到外界光照干扰，而且本身发射的激光因为散射原因，只有部分光经反射接收，测量精度不高，斜射式检测方法能有效解决这一问题［62］. 1993年美国3D Systems公司提出立体光固化成型技术，采用斜射式检测树脂液面高度［63］，设计了一种用于检测和控制光敏树脂液位的方法和仪器，液位的检测采用激光非接触发射检测法，目前立体光固化成型技术的液位检测基本采取这种方法.该方法的装置由半导体激光器、位置敏感探测器（Position sensitive detectors，PSD）、A/D转换器、机械装置和计算机控制系统等组成.液位的高度通过激光光斑的位置来获得的，即激光以一固定角度入射，经发射的光到投影屏上，通过控制反射光的高度达到控制液面的高度，通过PSD探测液位高度，调整好光路后，我们就根据液位控制目标的要求确定一合理的阈值.立体光固化成型技术，要求能检测出液位0.05mm左右的变化，PSD的位置分辨率可达到6微米.

在立体光固化成型过程，液态光敏树脂固化成型后，将会发生体积收缩，引起液位变化，当PSD检测到液位波动超出阈值范围内时，需要对液位进行调节和控制.目前，立体光固化成型设备液位控制方法最主要方式有三种：溢流式、容积调节式和液槽升降式.1993年索尼公司申请了立体光固化树脂溢流式液位控制系统［64］，该系统包括一个主液槽和补充罐，溢流式控制法通过主液槽和补充槽内的液体相互流动，补充槽向主液槽内添加光敏树脂，使主液槽内的树脂达到动态平衡，这是一种简单可靠的开环设计方式.但是，当光敏树脂粘度和表面张力发生变化时，上述设计难以满足液位稳定控制要求. Almquist等设计了一种容积调节式液位控制方法和装置［63］，装置包括：一个主液槽和一个与其相连的浮筒，通过浮筒的上下运动改变主液槽内的容积从而调节液位，达到控制目的.浮筒运动由液位检测信号和设定值比较确定，该方式为闭环控制，缺点是响应速度慢，并且当浮筒体积不够时无法有效补充树脂.美国3D Systems公司的SLA 250型号即采用这种方式控制液位［60］.3D Systems公司于2005年设计了一种液槽升降式液位控制系统［60，65］，该系统是3D Systems公司目前使用的液位控制系统，通过驱动电机控制液槽的升降来调节液位高度，控制方式速度快，但总体成本达到几十万至上百万人民币，需要稳定性很好的升降驱动系统.

2.2.4光敏树脂涂层技术控制

立体光固化技术实质上是由激光层固化和涂层技术不断重复，因此涂层技术（Recoating technology）也是立体光固化成型的重要步骤之一.涂层技术［66］是为了确保激光扫描前在已经固化层上铺洒一层均匀层厚的光敏树脂，并且保持液面稳定.立体光固化技术使用的光敏树脂材料，是一种高分子聚合物，特点是粘度大、流动性差、固化后表面张力大.如果只依靠光敏树脂液位恢复时的自由流动，鉴于表面张力和流动性差等原因，很难在先前固化层表面自动覆盖一层光敏树脂，特别是纹理比较复杂和大面积范围涂层显得更加明显，材料无法覆盖使得模型精度难以保证，甚至造成模型的损坏.因此，涂层技术的运用是立体光固化技术成型精度和效率要求的可靠保障.

20世纪90年代末，3D Systems公司提出了立体光固化技术，涂层技术随之产生［67］.该公司设计了一种自由液面刮板涂层技术，每层固化后，计算机控制托盘多下降一段距离，光敏树脂可在短时间内完全淹没固化表面，然后控制托盘提升到高于液面位置，利用刮板将多余光敏树脂刮除，使剩余层厚更接近设定的期望层厚.然而，由于托盘下降的原因，这种控制方式容易产生气泡，并且模型几何形状不同以及光敏树脂的粘度高，刮板会产生严重的光敏树脂拖拽现象，导致精度不高.随后，3D Systems公司改进了这一方案［68］解决了刮板拖拽现象，设计了一种带开口和三叉戟的刮板，控制刮板通过速度，使拖拽现象缓解.但是两种设计将不可避免产生“回冒”［69］现象，即由于惯性的作用，使得多余被刮走的光敏树脂在刮板上涌起波浪.1996 年3D Systems公司推出的SLA-350改变了树脂涂层方法，采用真空吸附式涂层刮板结构和涂层系统（ZephyrTMrecoating system）［70］.文献［71］利用了一种真空吸附式涂层技术，装置包括微型真空泵、含液式涂层板等部件，这种控制方式托板下降一层厚距离，计算机控制真空泵吸附的光敏树脂量，均匀铺洒在已固化模型表层，提高了树脂涂层效率，在计算机行程控制下步进电机带动含液涂层板的涂敷动作，通过皮带轮沿不锈钢导轨运动，可以实现不同速度、不同位移的涂层运动.为进一步实现涂层运动参数的优化提供了可能，采用该方法涂层厚度最小可以达到0.025mm，并且可以有效地避免气泡的产生.文献［72］设计了新的掩膜图像投影光固化过程，该技术提出了数字材料制造工艺，可在光固化技术中使用多材料成型，提出了一种新的双通道设计，大大降低了固化层与树脂的分离力，采用两级树脂清洗策略（粗糙清洗、精细清洗）和涂层技术结合的方法，避免多材料树脂相互污染，该工艺可以用在两种及以上材料混合成型.

国内的西安交通大学研制出一种瀑布式光敏树脂涂层装置［73］，如图8所示.该设计方法在模型打印过程中，由于光敏树脂的体积固化收缩，每固化一层后，托盘下降一层，刮板涂层喷头完成树脂涂层，即通过控制喷头流量及其移动来完成固化表面的树脂补充.整个过程中，喷头仅完成光敏树脂补充作用，此时涂层厚度略大于固化所需厚度，再通过专门设计的刃口形状刮板刮走多余树脂，达到平稳液面作用.同时，该涂层控制方法也指出其不足之处，即装置工作时需要提高刮削速度，但这一措施使得刮板上堆积的树脂来不及回流扩散.

图8　瀑布式光敏树脂涂层装置Fig.8　Photosensitive resin recoating device of waterfall type

涂层技术的速度和参数控制是重要的部分.在速度控制上，如果涂层速度慢，虽然精度上能够满足模型打印的条件，在涂层时间等待过程中激光器一直维持打开的状态，这样会降低激光器使用寿命；如果速度过快，涂层过程将形成“后跟（Heel）”问题，如图9所示.文献［74］采用3D Systems公司SLA-250，光敏树脂采用Cibatool SL 5170作为研究对象，发现立体光固化3D打印机的运行速度往往比厂家设定的速度更高，而不会引起模型精度损失.

图9　树脂铺洒速度过快形成后跟现象Fig.9　Resin spread fast forming the heel phenomenon

2.2.5成型精度误差控制

立体光固化技术是精度最高的3D打印技术之一，因此提高立体光固化技术精度引起了3D打印技术行业的高度关注，从业人员期待在立体光固化精度误差控制上产生重大突破.立体光固化技术成型过程包括［75］：前期数据准备、成型加工和后处理过程，如图10所示.

图10　立体光固化技术成型流程图Fig.10　Stereo lithography appearance molding chart

成型精度误差主要有表面精度误差、形状精度误差以及尺寸精度误差.表面精度误差主要在前期数据准备时，对实物的三维CAD模型进行STL格式化和分层切片逼近导致，也被称为台阶效应.台阶效应［76］无法被消除，只能尽量减小层厚使误差变小，然而这会相应增加数据处理时间.文献［77］提出了一种基于产品模型数据交互标准（Standard for the exchange of product model data，STEP）的在CAD系统外直接对CAD模型进行非均匀自适应分层的方法.根据模型的表面形状，当模型表面倾斜大时，选择0.1mm的层厚；反之，选择0.2mm以上的层厚.这样自动改变层厚提高成型精度.形状精度误差的产生主要由翘曲形变［78］及局部缺陷带来.翘曲形变的发生在成型过程中，液态光敏树脂在激光束照射下发生光交联反应，导致固化聚合过程中体积收缩，产生内应力导致模型产生形变（指当外部荷载去掉以后，仍残存在物体内部的应力.它是由于材料内部宏观或微观的组织发生了不均匀的体积变化而产生的）.目前主要有两种方法可以控制翘曲形变：1）改进材料配方的方法［79］，来控制光固化过程中产生的体积收缩，从而提高成型精度；2）Jacobs提出的“二次曝光法”原理［80］，具体操作是：首先，以临界扫描速度Vc对固化层进行第一次扫描，首次扫描完成后会在液面上形成一个厚度略小于分层厚度的固化的薄层，这个薄层并不与下面已固化的模型粘接.这样，经过第一次扫描形成的薄层将会自由收缩，而不会与已固化的实体相互干扰，也就不会产生层间应力；然后，以透射速度Vp对固化层进行第二次扫描，用来将薄层与下面已固化的模型部分粘接起来.因为第二次固化的液态光敏树脂厚度很薄，所以其固化时产生的层间应力小，因而比起传统固化方法可以有效地降低翘曲形变的发生.二次曝光法主要是要确定临界扫描速度Vc和透射速度Vp，这也是该方法的难点.由于第一次曝光时薄层未能与已固化模型粘接起来，所以层与层之间存在漂移错位，使得模型侧壁变得凹凸不平，严重影响了成型表面精度.西安交通大学提出“改进型二次曝光法”［81］，该方法在原有二次曝光法的基础上，先确定扫描区域内的连通域个数；再在每个连通域以透射扫描速度Vp扫描出初始的5条线，用来把薄层和已固化模型粘接起来；随后的过程与二次曝光法相同.该方法保留了传统二次曝光法翘曲变形小的优点，同时也能弥补层间漂移等缺点.文献［81］利用了Tem01光强分布，并用高斯函数来描述Tem01光束的光斑半径和能量分布函数I：

式中，r是径向变量，ωOS表示截面的基模光斑半径，PL为激光功率.固化深度公式Cd：

式中，E0为入射能量密度；Ec为临界曝光密度；Dp为透射深度.当衰减为入射能量密度的时的固化深度：

式中，Vs为光斑扫描速度.模型成型后还有一个后处理过程［82］，特别是去除支撑结构以及提高表面光洁度的处理措施，需要严格执行相应操作流程，否则会造成形状和尺寸精度的误差.

2.3激光粉末成型技术控制系统

激光粉末成型技术包含：SLS（Selective laser sintering）选择性激光烧结技术、DMLS（Direct metal laser sintering）直接金属激光烧结技术、SLM（Selective laser melting）选择性激光熔化成型技术以及EBM（Elctron beam melting）电子束熔炼技术等.激光粉末成型技术通常的改进方式为：提高能量来源或者减小粉末颗粒大小.激光粉末成型技术由激光扫描系统、振镜式扫描控制、成型缸升降系统、铺粉控制系统、预热控制系统以及驱动装置等［83］组成，如图11所示.专利［84-85］介绍了激光粉末成型的控制过程：成型开始时，铺粉控制系统将粉末均匀铺洒在成型缸升降系统上，并用铺粉辊将粉末均匀压实.随后，预热控制系统将压实的粉末均匀预热达到打印温度，计算机根据原型的切片模型控制激光扫描系统和振镜式扫描系统进行二维轨迹扫描，有选择地烧结固体粉末材料以形成零件的一个层面.粉末完成一层后，成型缸升降系统下降一个层厚，由铺粉控制系统重新铺上新粉，再对新粉用铺粉辊压实以及预热后，激光束再扫描烧结新层.如此循环往复，层层叠加，直到三维零件成型.最后，将未烧结的粉末回收到粉末缸中，并取出成型件.

这里将介绍激光粉末材料烧结/熔化成型控制子系统包括：1）铺粉控制；2）粉末预热控制；3）成型精度影响及控制.

图11　激光粉末成型技术控制系统Fig.11　Selective laser sintering forming control system

2.3.1铺粉控制

铺粉控制系统是整个技术的核心组成部分之一.铺粉的厚度、表面平整度、铺粉致密度和精确度都对加工结果有着影响，也是影响最终成型精度的主要因素.因此，铺粉控制系统的整体自动化性能和各部分的协同工作要求非常高.常用的铺粉控制系统：刮板式、反转辊轴式、反转辊轴和刮板结合、正向辊轴式、正向辊轴和刮板结合、移动漏斗、振动式铺粉系统.文献［72，86］根据粉体的堆积密度和粉体的表面质量参数，对不同铺粉控制系统进行实验，使用22mm直径反转辊轴式系统可以得到最高的密度（1.2gr/cm3），同时表面质量最优；正向辊轴和刮板结合可以得到高密度（1.0gr/cm3），但是这对组合需要完善的设置，防止粉末表面失真.其中刮板式铺粉系统虽然结构简单，易于控制，但是粉末的致密度低（0.7gr/cm3）；辊轴式铺粉系统可以提高粉末的致密度（0.9gr/cm3）；移动式漏斗采用直接铺洒粉末，没有压实作用，因此粉末的致密度低（0.7gr/cm3）.

美国3D Systems公司设计了一种选择性激光烧结粉末辅助处理系统［87［89］，这种装置采用全密闭空间的成型室，成型室内有三个（左中右排列）活塞系统（三缸铺粉系统），如图12所示.活塞系统装载着粉末，中间的活塞系统是激光能够照射到的成型室，也称为工作活塞，左右两个活塞系统分别是供粉活塞.具体工作方式为：当中间工作活塞的最上层被激光烧结之后，左边的活塞向上推出一定量粉末，由自身反转的辊轴进行水平移动铺粉，而右端的活塞向下移动留下一定空间，使得辊轴在铺粉完成后可以将多余的粉末推到右边活塞系统中完成粉末的回收，这个系统减少了成型室内的粉末量，加快了粉末的输送.在合理的设计下左右两边活塞可以提供多种材料.一般情况下，人们将粉末分为三种类型：新鲜粉末（在活塞系统内未使用过的粉末）、溢出粉末（烧结过程中未被烧结到的粉末）、不合格粉末（烧结过程中距离激光烧结区域太近粉末）.上述系统无法将不合格粉末去除，同时由于一些细小的粉末悬浮在内部造成污染和损害，这部分悬浮粉末也无法被回收.根据上述问题，3D Systems公司改进了DTM公司的设计［90［92］，这个设计使得悬浮在空中的粉末得到回收.文献［92］设计的装置采用恒定的气体加压装置用来传输粉末，通过对成型室内不间断充气（空气或者惰性气体），再将这些与悬浮粉末混合的气体引入到装置中过滤，能很好地将这部分粉末回收，避免了环境污染也保证了设备操控者的身体安全.

国内对铺粉控制系统研究时间不长.清华大学设计了一种可控震动落粉铺粉系统［93］，总结了常用的铺粉系统优缺点后，设计一种不与成型件接触的上置式铺粉筛和具有称重传感器反馈的铺粉系统，通过改变铺粉筛的运行速度和加速度实现粉末铺送功能，改变铺粉筛运行速度和加速度获取精确的铺粉厚度，最小粉末层厚度达0.1mm.

图12　三缸铺粉循环系统Fig.12　Three cylinders assist powder recycle system

2.3.2粉末预热控制

激光粉末成型技术，需要在加工过程中对粉末进行预热.预热是成型过程中极其重要的阶段，其精准度是模型成型时间、精度以及强度的重要保证.

预热过程［94］一般涉及三种能量传输方式：热传导、热对流和热辐射.热传导是物质之间的能量转换，热对流是流体温差造成的能量转换，热辐射是电磁辐射的一种，由热源发出热能，被物体吸收后转换成热能.热辐射属于一种非接触式传热，而且传热速度很快，所以预热控制系统一般采用热辐射方式.粉末预热有两个能量来源，一部分是激光烧结粉末后能量散失到环境中；另一部分是由热辐射元件的能量预热粉末.因此，设计一个好的预热控制系统是能否对粉末均匀预热的基础.早在1992年DTM公司申请了粉末预热控制系统［95］，该系统是一种用于选择性激光烧结的热辐射预热装置，该装置可以为粉末表面提供均匀的温度，选用热辐射板、热辐射圆环等装置作为辐射源，放置在成型区域上方进行辐射加热，有专门的温度测量元件对粉末表面温度进行实时监控.专利中的数据说明，使用热辐射圆环的设计，能够更好地传递热量，高效地为粉末表面提供均匀预热温度.随后，德国EOS公司也为其产品的预热控制系统申请了专利.文献［96］设计的预热控制系统同样采用热辐射进行预热，但该装置采用热惰性材料石墨薄片作为热辐射元件，数据说明相比于其他材料，石墨薄片的温度传导系数更好，可以预热有一定厚度的粉末层，并且能够保证温度的均匀性.文献［97］分析了电子束增材制造过程控制，并尝试使用NIR（Near-infrared）两种镜头的热感相机进行预热过程温度测量控制，该热感相机可测量的温度范围在600～3000◦C，可有效地测量过程控制中各阶段（预热、轮廓线成型）的不同温度区间（低、中）.图13和图14说明了预热阶段温度区间.

图13　NIR图像在预热阶段低温区间Fig.13　Low temperature range of NIR images at pre-heating phases

图14　NIR图像在预热阶段中温区间Fig.14　Medium temperature range of NIR images at pre-heating phases

激光选区烧结成型过程中，相邻层之间如果没有预热控制系统将会发生上层的温度高、下层的温度迅速降低的情况［98］，这样极易产生内应力和翘曲形变.研究人员通过正交实验和方差分析的手段［99］，发现使用加热设备将温度控制为：层间高、两端低的情况将不会有显著的形变样品产生，这样的温度控制能够获取更好的精度.同时，预热控制系统对温度稳定性的要求严格，要求粉床温度的不均匀度必须控制在一定范围内，所以如何控制好粉床的温度也是十分重要.通常情况下，对预热温度的控制采用的是模糊控制［100］，且效果良好.然而，当中间烧结层的切片形状发生超过30%面积变化时，采用模糊控制的预热系统会发生快速温度变化.因此文献［101］设计了一种预热温度调控系统，该系统根据切片形状不同，将切片分为渐变型（相邻层变化平缓）和突变型（相邻层变化大）.当获取切片信息后进行温度控制时，如果是渐变型截面，此时预热采用常规的模糊算法；如果是突变型截面，此时采用参考模型自适应（Model reference adaptive control，MRAC）方法进行控制，实验证明该系统提高了模型成型的自动化和智能化，在节省生产成本的情况下，提高了模型的各项性能.在第k步，第i条的控制规则为

式中，Ei、IEi分别是 e、Re dt的模糊集，µEi（e），µIEi¡Re dt¢为e，Re dt的隶属度函数值，系数K1、K2可以求出.

文献［102］通过对四周区域加入热源，使用有限元模拟，证明在四周区域增加温度补偿能够改善预热温度场的分布，从而显著提高了烧结制件的质量. 2.3.3成型精度影响及控制

金属粉末具有密度大、熔点高、导热系数好等特点，这些特点使得对激光束的功率要求更高，加热速度更快，由于激光束加热的局部性，将会引起温度场分布不均衡、温度梯度大.在模型成型过程中，由于温度场不均衡引起的固化收缩问题，极易导致模型出现球化、翘曲和开裂等现象［103］.为了减少上述因为温度场不均衡导致的模型损坏现象，对温度场控制进行研究是非常必要的.因为金属粉末烧结温度场是一个动态分布的过程，所以采用有限元模拟可以更好地分析成型过程中影响精度的因素，从而对工艺参数进行合理选择.Bugeda等［104］通过对选择性激光烧结过程中的单一激光源烧结轨迹进行有限元三维模拟，分析了实验材料的烧结过程，得到的温度和密度分布图，获取了烧结深度的信息.Dai等［105］提出了一种有限元分析方法用于调查激光扫描方式对残留应力和变形的影响.研究表明，若有一层出现形变，改变激光束的扫描方式可以将形变影响最小化；该研究同时还发现，如果扫描路径沿着某一轴线方向进行长距离扫描，将可能出现鞍形失真.

上面的研究基本采用三维有限元瞬态温度场分析，但却没有考虑到随着温度的变化对一些重要物理参数的影响；不同材料的热系数等物理性质的变换；以及温度、激光能量密度和成型件密度的耦合作用等［106］.Wang［107］讨论了选择性激光烧结过程中两个重要参数（固化收缩和光束偏移）对模型尺寸的影响.Williams等［108］采用分析和实验的方法研究选择性激光烧结过程中激光的能量密度、激光束光斑直径以及激光束延迟对成型件平均密度和强度的影响.该研究结果表明：随着能量密度和光斑直径的增加，成型件的密度和强度也随之增长，但是一些限制性因素的存在仍然会影响模型的最大密度和强度.这种方法虽然能确定烧结过程中模型性能的变化，但是对模型性能的提高有限.选择性激光烧结有一种大幅提高制件密度和强度的方法：后固化法（将成型制件放入一定温度的设备中使未完全成型部分进行再次固化）.文献［109］使用最小二乘法来调查后固化过程中成型件的收缩变化，研究人员发现后固化方法能显著减小尺寸的收缩，并且发现固化程度与激光功率、层间距、扫描间距和扫描速度存在函数关系.文献［110］研究揭示了重要过程参数（激光功率、扫描速度、层间距、粉床温度等）与成型制件精度的关系，使用田口设计方法为长方体模型进行测试，通过最大化信噪比和方差分析进行尺寸补偿，成功提高了模型的有效性和精度.这些实验和结果都证明了激光粉末成型技术的成型精度还有10%以上的提升空间，需要更多的科研人员来研究这部分领域，特别是控制方法的研究.

3　3D打印技术的展望

综上所述，3D打印技术呈现了百花齐放，百家争鸣的发展状况，无论是从成型原理、材料等关键方向都有大量科研工作人员进行研发，并且各有特色和优势.虽然3D打印技术取得了广泛的关注和迅猛的发展，在成型精度和速度有所突破，但依然存在着许多亟待解决的问题.下面将对其中的一些问题进行总结，同时对未来3D打印技术的发展趋势提出初步的设想.

3.1控制系统

3.1.1过程控制

过程控制系统通常采用反馈控制和算法改进的形式，通过对过程参量的控制，可使生产过程中产品的产量增加、质量提高和能耗减少，例如文献［111］提出了熔融沉积成型技术稳固低耗支撑结构生成的算法，该算法充分分析熔丝沉积制造中扫描熔丝构造特点，对支撑区域进行分类，根据每类支撑的特点设计相应的支撑结构成型算法，并建立最优化计算模型，计算符合各类约束的最小支撑结构，在保证了打印成型质量同时节省了打印耗材，并针对现有Makerware算法用实验数据说明，所得支撑结构更为稀疏，并且采用了锥形结构，节省材料效果明显，算法稳定性更好.3D打印核心技术不同，其表征过程的主要参数也各不相同.熔融沉积成型技术过程参数有温度、压力、送丝速度等，光聚合成型技术过程控制参数有激光强度、固化深度、涂层厚度、液面高度等，激光粉末成型技术过程参数有激光强度、铺粉厚度、致密度、预热温度等.3D打印技术目前仅仅做到了将过程控制的参数测量表示出来，并使用一些简单的独立闭环控制，但是在很多情况下，3D打印控制系统中被控量与控制量之间呈现出交互影响的关系，每个控制量的变化会同时引起几个被控量变化.这种变量间的交互影响称为耦合.耦合的存在会使过程控制系统变得复杂化，例如熔融沉积成型技术过程参数有温度、压力、送丝速度，这些参数都是相互关联，相互影响.3D打印可以采用解耦控制中的多变量频域方法有效解决这一问题.

3.1.2整体控制

目前，国内外3D打印控制系统的智能识别和反馈功能基本处于空白状态，控制系统中的各子系统虽然能够较好地做到闭环控制，但是大部分打印机的整体控制系统仍然处于盲打阶段，是一个开环的状态，即每一种模型的成型需要依靠人工总结数据并进行大量实验.当成型过程中出现打印异常问题时，控制系统无法识别，更不能调整解决问题.当成型过程出现一个细小的打印错误，后续成型误差将会越来越大，这就要求成型时，必须有经验丰富的专业人员随时观察成型状态.现如今，大部分3D打印机还没有打印记忆功能，如果打印时突然断电将无法进行续打，这样会造成大量时间、材料上的浪费.因此，智能识别和反馈功能是目前3D打印控制系统需要解决的问题，让系统自动识别并判断成型过程中出现的问题，并及时作出调整，同时通过智能识别系统提供的大量数据让3D打印机能够具备自学、自我逐步完善功能.

3.1.3实验设计

3D打印存在着复杂的材料状态变化过程，材料需要经历“固态、液态、固态”的状态变化过程，并且打印的精度要求非常高，此时引入了一些新的技术和新的控制器、控制系统.在这种情况下，难以通过状态、能量等化学以及基本的物理定律来建立精确的结构模型，即使建立了模型，也会由于模型阶次太高，不适合用于控制系统的分析与设计.同时，3D打印控制系统中还存在大量的不稳定因素，例如：环境温度变化、支撑的稳定性、电机运动的准确性、翘曲形变、应力作用等.针对难于建模、耦合性强、不确定因素多的复杂系统，可以利用大量的数据系统进行分析与控制，同时采用基于田口设计方法或者ANASYS有限元方法设计出相关实验.这些是未来3D打印控制系统的实验设计的发展方向，在科研性和应用性上有不错的指导意义.

3.1.4仿真研究

国内外对3D打印控制的仿真研究过程还仅仅处于在打印过程中相邻层、局部性的功能模拟与验证阶段.这些工作主要针对打印过程中模型的局部瞬间温度场模拟，实验所用的一些模型采用常规形态（如矩形、正方形、三角形等），很少考虑到在实际打印经常出现的具有复杂多变、独特形态特征的模型，这些模型在3D打印的实际作业过程中经常出现变形等问题.同时，仿真研究也不能将相变潜热、对流、辐射、热传导等因素的综合作用所累积产生的层间应力变化反应出来，只能考虑到单一因素引起的变化；在打印过程中材料因为受热后物理参数发生改变，仿真过程中却对材料设置了相同的物理参数，实际上其中的热力学等许多物理参数差别巨大，这样的仿真模拟过程存在着明显严重缺陷.因此，打印过程中的可视化仿真是现阶段需要攻克的难题.

3.1.5计算能力

3D打印机在工作过程中经常发生状态转换，各个被控制部件之间有着强耦合性，且3D打印控制除了要求具备高度的准确性和快速性之外，还需具备实时性，这就对控制器的计算能力提出了更高要求.一些低端产品由于成本等原因采用的是单片机作为控制器，但计算能力稍显不足；因此为了满足3D打印机在性能上的需求，必须采用计算能力更高的控制器.同时，3D打印也存在非线性强、控制模型阶次高的问题；因此，如何开发先进算法来解决这些问题也是未来3D打印控制系统所要做的.

3.2产业化进程

3.2.1打印材料行业标准的建立

这些年来，3D打印技术飞速发展，成功运用到各行各业中，但不同行业对材料的要求不尽相同，3D打印材料现状并不令人满意，成为了影响3D打印行业发展的重要制约因素.目前，我国3D打印原料缺乏相关的行业标准，国内生产3D打印材料的企业大多集中在生产PLA、ABS材料以及液态光敏树脂，并且这些企业生产的材料质量参差不齐，严重影响模型成型质量；而金属粉末材料基本依赖从国外高价进口，使得国内金属3D打印成本一直居高不下，影响了金属3D打印的产业化进程.因此，3D打印行业迫切需要建立一整套针对材料的相关行业标准，加快国内3D打印材料研发和产业化的进程，争取做到3D打印材料自给自足，努力做到材料出口到国外，促进我国3D打印产业的跨越式发展.

3.2.2社会制造

当前，我国制造业竞争优势水平低下，创新能力不强，科技与经济发展脱节，为了提高产业服务水平，加速发展社会制造产业，必须充分利用好网络平台，大力开展远程3D打印服务.3D打印带来的不仅是制造技术的进步，更是社会生产组织方式和管理模式的深刻变革.3D打印使生产制造从大型、复杂、昂贵的传统工业过程中分离出来，凡是能接上电源的任何计算机都能够成为灵巧的生产工厂.然而由于成本、材料限制问题以及操作者的专业知识限制，目前个人使用的3D打印机一般为价格较低的FDM 3D打印机，出于盲目消费、好奇等原因，个人消费者在购买3D打印机后使用不久后便会出现打印机永久闲置的问题，这样给3D打印的普及和推广带来了负面效应.一些大型企业花重金购买了国外先进的3D打印机后，却得不到充分的利用，而社会制造的出现能够很好地解决上述问题.正如王飞跃［112］所说，社会制造就是利用3D打印、网络技术和社会媒体，通过众包等方式让社会民众充分参与产品的全生命制造过程，实现个性化、实时化、经济化的生产和消费模式，是计算机和互联网引发的信息革命之后的又一场产业革命，需要引起人们的重视，社会制造的关键问题就是如何主动、及时地将社会需求与社会制造能力有机地衔接起来，从而有效地完成从需求到供应之间的相互转化过程.因此，个人消费者使用搜索的方式来找寻满足自己设计需要的企业所有的3D打印机，而企业则采用众包的方式有效地完成产品的提出、设计、评价和营销等任务.从而达到互利互惠的效果，推动3D打印的蓬勃发展，同时推动整个社会制造能力的提升.

3.2.3行业发展方向

国际3D打印行业处于快速兼并与整合过程，国内3D打印联盟的成立共同促进行业加速发展. 3D打印行业最大的两家龙头企业分别为美国的3D Systems公司和Stratasys公司.这两家公司的产品占据全球大部分的市场份额.两家公司在本身异常强大的情况下，仍然在执行大规模的收购与合并政策，试图完善产品线、巩固领先优势.例如，Stratasys公司2012年4月用14亿美元并购了以色列的Object公司，2013年6月用4.03亿美元收购了美国的MakerBot公司，分别获得了这两家公司的PloyJet Matrix技术和桌面级产品技术，同时以1亿美元收购了全球最大的3D设计分享网站GrabCAD，这样将使得Stratasys公司拥有全球领先的管理、共享和查看CAD协作平台，也是加强对CAD建模市场控制的方式.3D Systems公司先后收购了包括Z Corp、Huntsman、Vidar Systems和CAD软件Alibre等40多家公司，一举奠定了该企业在3D打印行业中的地位.

在我国，3D打印技术的掌握和市场化应用还处于初级阶段，公司还处于小而分散的状态，近些年来也成立了由中国科学院自动化研究所牵头的“3D科技创新产业联盟”、由亚洲制造业协会联合华中科技大学、北京航空航天大学、清华大学等权威科研机构共同发起的“中国3D打印技术产业联盟”以及“山东3D科技创新产业联盟”等组织机构来团结、规范、引导我国3D技术和产业的健康发展.尽管如此，我国的3D打印企业都还处于分散的状态，迫切需要一个或者多个有发展3D打印技术意愿的公司加大投资，采取整合以及研发创新的方式来壮大自身，在材料、软件特别是细分领域的应用方面集中力量重点突破，这样才能打破国外3D打印企业的垄断地位.

3.2.4企业发展

企业应该加强与研究所、高校的联合，形成一整套产、学、研、教的组织机构.目前我国正处于3D打印发展初级阶段，从20世纪90年代开始西安交通大学卢秉恒（中国工程院院士）团队，主要研究光固化成型技术；华中科技大学史玉升团队，主要从事激光烧结成型技术，2010年该团队研制出“基于粉末床的立体打印技术”，并获得国家科技发明二等奖；清华大学颜永年团队，其科研成果通过北京殷华快速成型模具技术有限公司转化以及北京航空航天大学王华明团队在激光快速成型飞机钛合金结构件关键工艺及技术上取得了突出性贡献.同时一些企业：北京殷华、陕西恒通智能机器、湖北滨湖机电、湖南华曙高科技有限责任公司等陆续进入该行业中.我国的3D打印基础还很薄弱，企业必须做出长远的规划，而不是只做低端产品，长远的规划必须包括依托于高校及研究所.高校主攻基础研究，培养一批有3D打印技能的学生；研究所主攻应用型研究；企业将研发成果转换为产业成果.与此同时，积极引进海内外3D打印技术人才，邀请国内知名教授学者进行3D打印技术讲座，培养不同层次的3D打印人员，实现产、学、研、教一体化发展.

致谢

本文内容是在中国科学院自动化研究所复杂系统管理与控制国家重点实验室、中国科学院云计算产业技术创新与育成中心自动化所东莞研究院、青岛智能产业技术研究院的支持下完成.作者感谢沈震副研究员、朱凤华高级工程师、熊刚研究员等的有益讨论.

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107 Wang X W.Calibration of shrinkage and beam offset in SLS process.Rapid Prototyping Journal，1999，5（3）：129-133

108 Williams J D，Deckard C R.Advances in modeling the effects of selected parameters on the SLS process.Rapid Prototyping Journal，1998，4（2）：90-100

109 Wang W L，Cheah C M，Fuh J Y H，Lu L.Influence of process parameters on stereolithography part shrinkage.Materials&Design，1996，17（4）：205-213

110 Raghunath N，Pandey P M.Improving accuracy through shrinkage modelling by using Taguchi method in selective laser sintering.International Journal of Machine Tools and Manufacture，2007，47（6）：985-995

111 Wei Xiao-Ran，Geng Guo-Hua，Zhang Yu-He.Steady and low consuming supporting for fused deposition modeling. Acta Automatica Sinica，2016，42（1）：98-106（魏潇然，耿国华，张雨禾.熔丝沉积制造中稳固低耗支撑结构生成.自动化学报，2016，42（1）：98-106）

112 Wang Fei-Yue.From social computing to social manufacturing：the coming industrial revolution and new frontier in cyber-physical-social space.Bulletin of the Chinese Academy of Sciences，2012，27（6）：658-669（王飞跃.从社会计算到社会制造：一场即将来临的产业革命.中国科学院院刊，2012，27（6）：658-669）

李 轩长沙理工大学电气与信息工程学院硕士研究生.主要研究方向为3D打印与社会制造.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.）

莫红长沙理工大学电气与信息工程学院副教授.2004年获中国科学院研究生院工学博士学位.主要研究方向为语言动力系统与智能计算.

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.）

李双双中国科学院自动化所复杂系统管理与控制国家重点实验室助理研究员，2007年获杭州电子科技大学自动化专业学士学位，2010年获浙江大学控制理论与控制工程专业硕士学位，2013年获中国科学院大学计算机应用技术专业博士学位.主要研究方向为3D打印与社会制造.

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.）

王飞跃中国科学院自动化研究所复杂系统管理与控制国家重点实验室研究员.国防科技大学军事计算实验与平行系统技术中心教授.中国科学院大学中国经济与社会安全研究中心教授.主要研究方向为智能系统和复杂系统的建模，分析与控制.

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录用日期2016-03-02
Manuscript received October 15，2015；accepted March 2，2016国家自然科学基金（61074093，61233008，61473048）资助
Supported by National Natural Science Foundation of China （61074093，61233008，61473048）
本文责任编委魏庆来
Recommended by Associate Editor WEI Qing-Lai
1.长沙理工大学电气与信息工程学院长沙 4101142.中国科学院自动化研究所复杂系统管理与控制国家重点实验室北京100190
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