基于FDM3D打印机的温度控制系统设计与切片算法研究

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近几年来,3D打印技术由于其独特的制造特点,广受研发者青睐,专家称其将发起“第三次工业革命”。熔融沉积成型(FDM,Fused Deposition Modeling)技术作为快速成型技术的一种,设备制造和后期维护简单,价格低廉。因此,在3D模型打印中仍占领着重要的市场地位。由熔融沉积成型技术原理成型的3D模型表面精度低,且在打印过程中,喷头会出现温度控制不稳定性,喷头吐料过多或过少,以及产品断层等缺陷。随着FDM桌面级3D打印技术逐渐成熟,打印模型的结构越来越复杂,因此,提高模型切片处理时间成为目前3D打印急需解决的首要问题。针对上述问题,本文对FDM3D打印技术做了深入研究,取得如下成果:首先,针对市场上以ATmega328为处理核心的FDM3D打印机系统存在成型精度不高,温度控制系统不稳定等问题,因此,设计一套以STM32F103 zet6作为温度控制的处理核心,内置128增益的16位∑-△型AD7792作为采集模块核心的温控系统。该系统在时钟主频、指令周期和片上资源上都比ATmega328系统更有优势,且具有采集精度高,噪声干扰小,处理速度更快等特点。其次,针对目前FDM打印机产品成型精度低的问题,设计模糊PID温度控制算法,采用模糊规则自适应整定PID的调节参数,实现对3D打印过程中的加热温度控制。通过与传统PID控制仿真曲线对比,结果表明,该控制系统更稳定,超调量小,控制精度更高,加热到设定温度时间更短。在STL(Stereo Lithography)模型的切片方式上,本文采用分层方向排序分组的方法,筛选出相交数据,构建求交链表进行求交运算,通过对三角面片做预处理,缩短切片分层时间。以凸台为例,对传统直接求交方法和分层求交方法做切片对比,结果表明,该方法具有缩短切片时间的优势。最后,本文设计的FDM3D打印系统,采用Printer Interface上位机软件设置打印参数,对温度控制系统进行打印测试结果表明,本文设计的3D打印机系统运行稳定,且打印效果更好,打印产品表面更光滑。
摘要第3-4页
英文摘要第4-5页
第一章 绪论第8-16页
    1.1 FDM3D打印机研究的目的及意义第8-9页
    1.2 国内外研究现状第9-14页
        1.2.1 3D打印技术及研究现状第9-12页
        1.2.2 FDM3D打印机国内外研究现状第12-14页
    1.3 主要研究内容第14-16页
第二章 FDM3D打印机温度控制系统设计第16-29页
    2.1 FDM3D打印技术第16-19页
    2.2 温度控制系统总体结构第19-21页
    2.3 温度控制系统各个模块设计第21-28页
        2.3.1 芯片的选型第21-23页
        2.3.2 采集电路设计第23-25页
        2.3.3 加热棒控制电路设计第25-27页
        2.3.4 微控制器接口电路设计第27页
        2.3.5 温度控制总体设计第27-28页
    2.4 本章小结第28-29页
第三章 FDM3D打印机温度控制算法研究第29-39页
    3.1 传统PID温度控制第29-33页
    3.2 改进PID控制算法研究第33-38页
        3.2.1 温度控制系统的性能指标第33-34页
        3.2.2 模糊PID温度控制系统方案研究第34-38页
    3.3 本章小结第38-39页
第四章 FDM3D打印机切片算法设计第39-51页
    4.1 STL文件第39-42页
    4.2 常规切片处理第42-44页
    4.3 切片算法设计第44-50页
    4.4 本章小结第50-51页
第五章 系统调试与分析第51-56页
    5.1 系统调试第51-54页
    5.2 打印效果分析第54-55页
    5.3 本章小结第55-56页
第六章 结论及建议第56-58页
    6.1 结论第56页
    6.2 建议第56-58页
致谢第58-59页
参考文献第59-61页
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