基于全局搜索PID算法的FDM环保艺术产品3D打印控制

陈晓莹

关键词： 3D打印; FPGA; 喷口控制; PID控制優化; 全局搜索; 低碳环保

中图分类号： TN876?34                         文献标识码： A                          文章编号： 1004?373X（2019）05?0157?03

3D printing control of FDM environmental art products

based on global search PID algorithm

CHEN Xiaoying

（Handan University， Handan 056005， China）

Abstract： The FDM?based 3D printing technology can realize the various creativity of designers， and promote the low?carbon protection， but its precision and surface quality can′t meet the appearance requirements of art?related products. Therefore， an FDM?type 3D printing temperature control method based on global search PID algorithm is designed. The method selects the non?toxic and environmental PLA material， and corrects the PID parameters in real time by means of global random search strategy， which can realize the control of the heating temperature in the 3D printing post?processing device， and obtain a better surface forming effect of the product. FPGA is used for simulation control and test. The results show that， in comparison with traditional PID control method， the proposed method has stronger robustness and higher control precision， and takes into account the aesthetic and environmental protection of FDM?type 3D printing.

Keywords： 3D printing; FPGA; spout control; PID control optimization; global search; low carbon environmental protection

0  引  言

随着数字技术的发展和成熟，3D打印技术开始蓬勃发展并不断被推崇，在各领域都被广泛应用。艺术的发展进步总是与新技术的兴起相辅相承[1]。21世纪以来，众多设计师开始尝试使用3D打印技术，使其在艺术领域的应用逐步成为一种全新的艺术表现形式，例如3D打印服装、3D打印珠宝、3D打印雕塑等[2]。

3D打印技术的应用符合以创新和技术改善节能降耗的目的，为改变人们艺术理念和艺术创意实现提供了一个极好的技术平台[3]。例如，针对剪纸为素材的艺术作品设计，3D打印技术可以将平面图像转换为三维动漫模型[4]。对于高端个性化珠宝订制需求，可以利用3D打印技术在互联网平台上进行用户个性化在线定制[5]，十分契合消费者个性化需求，减少了产品设计周期。随着社会大众审美的逐步提高和低碳环保理念的增多，目前基于熔融沉积成型（Fused Deposition Modeling，FDM）的3D打印技术已经成为艺术相关产品的主流技术[6]。

但是现阶段基于FDM型的3D打印技术在精度及表面质量方面无法满足艺术相关产品的外观需求，存在表面粗糙较大的问题。因此，设计了一种基于全局搜索的PID控制算法来实现FDM型3D打印的喷口温度控制。该方案选用材料无毒的FDM工艺，具有维护简单，价格竞争力强等优势，并设计了基于全局随机搜索策略的PID控制方法来解决FDM成型工艺存在的表面粗糙问题，从而达到更佳的成型效果。具体实验表明，该方法具有较好的稳定性和控制精度，有效满足了低碳环保艺术设计的技术需求。

1  FDM型3D打印的工艺及材料选取

1.1  3D打印方法介绍

作为一种非常先进且灵活的制造技术，3D打印以计算机三维设计模型为蓝本，用软件将其离散分解成若干层平面切片，然后由数控成型系统利用激光束、热熔喷嘴等方式将粉末状、液状或丝状金属、陶瓷、塑料、细胞组织等材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成型，制造出实体产品。现有3D打印技术的方法如图1所示[7]。

1.2  工艺及特点分析

不同3D打印技术采用的工艺对比分析见表1。

从表1可以看出，相比其他几种打印工艺，FDM工艺过程无毒無味、较为干净、耗材少，且原材料是卷轴线材，易于快速更换和搬运，比较符合低碳环保艺术设计的需求。

此外，FDM工艺涉及2种打印材料，其特性分析如表2所示。由于PLA塑料具有生物降解材料和环保优点，且打印过程无异味，所以相比于ABS塑料，PLA塑料更适合低碳环保艺术设计，同时，较好的光泽度可以给打印成品带来更佳的视觉外观效果。因此，本文提出3D打印方案选择基于PLA塑料的FDM作为具体实现工艺。

2  提出的优化PID控制方法

如上所述，基于FDM技术的各种3D打印技术具有工艺过程无毒无味、较为干净、耗材少等环保优势，但由于FDM的技术特点，其存在精度较低，无法打印复杂结构等问题。因此，采用全局优化的PID控制方法来解决FDM成型工艺存在的精度不高问题，从而达到更佳的成型效果。

采用的PID控制方法为[8]：

[u=KPe（t）+KDde（t）dt+KI0Te（t）dt]   （1）

式中：[KP]表示比例增益;[KD]表示微分增益;[KI]表示积分增益。误差信号[e]表示为：

[e（t）=yd（t）-y（t）=Rd（t）-（x1（t）-x2（t））]   （2）

式中：[yd（t）]表示不同产品所需的期望值;[Rd]为预期输出。

采用PID控制器的目的是更有效地对3D打印后处理装置中的加热温度进行控制，从而改善打印模型的外观，使用的最小化成本函数为：

[J=1T0Txxmax2dt] （3）

式中：[J]表示关于抛光效果的成本函数;[T]表示最终的模拟时间;[xmax]表示最大容许加速度。通过全局优化算法在可取范围空间内进行寻优操作，其中的群体搜索方法如下：

[P=2G-Rn+1] （4）

式中：[P]表示单独个体;[G]表示当前群体的中心（包含[n]个体）;[Rn+1]表示现阶段群体的相邻随机中心。执行该群体搜寻过程，直到满足最大迭代次数为止。整个系统的状态空间模型原理图如图2所示。

3  3D提出控制算法具体应用测试结果

为了验证本文提出方案的性能，进行了具体3D打印实现。低碳环保艺术3D打印采用基于PLA塑料的FDM工艺，且制造过程后的产品后置处理中通过XilinxSpartan 6 FPGA Spartan??6 LX45T实现了控制算法。提出优化PID控制器的相关参数如表3所示。打印系统为桌面型菠萝三维3D打印平台。

3D打印后处理装置中加热温度的控制曲线结果如图3所示。可以看出，通过提出的优化PID控制器实现了更加稳定和精确的控制，且响应速度较快。

3D打印产品如图4所示。从图4可以看出，本文提出3D打印方案得到的最终成型产品兼顾了艺术设计的美感性、实用性和环保性，抛光效果较好。

4  结  论

本文设计了一种基于全局搜索PID算法的FDM型3D打印温度控制方法。首先选用了材料无毒的PLA?FDM工艺技术，具有维护简单，价格竞争力强等优势。并设计了基于全局随机搜索策略的PID控制方法来解决FDM成型工艺存在的表面粗糙问题，从而达到更佳的成型效果。在FPGA上的具体仿真实验结果表明，提出的控制方法具有较好的稳定性和控制精度，有效提高了FDM型3D艺术产品打印的精度及表面质量。

参考文献

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