一种3D打印机冷却风扇辅助控制喷嘴温度的方法与流程

本发明涉及3d打印技术领域，特别是涉及fdm3d打印机控制技术领域。

背景技术：

基于fdm(熔丝沉积成型)技术的3d打印机，采用将各种耗材(如工程塑料abs、聚碳酸酯pc、pla、尼龙、柔性材料等)加热熔化进而挤出堆积成型的方法。在耗材熔化挤出的过程中，对打印头的温度控制是材料顺利挤出的保障。根据材料的不同，打印头需要保持的温度也有所不同。只有将打印头喷嘴的温度保持在材料刚好处于熔融态的温度范围内，材料才可以被均匀的挤出。如果温度过高，喷嘴出料口可能会出现“拉丝”的现象，而且零件表层还有可能因为挤出喷嘴的材料凝固过慢而发生形变；如果温度过低，刚被挤出喷嘴的材料瞬间凝固，无法和周围材料很好的粘结在一起，严重的可能导致材料无法被挤出。

目前的3d打印机挤出头技术方案中，通常包含有喷嘴、加热部件、测温部件和冷却风扇，如附图1所示。其中加热部件和测温部件在控制系统调度下，构成闭环控制，其控制策略通常采用pid算法。冷却风扇的出风口设置在喷嘴侧方，对喷嘴挤出的耗材进行散热，加速其固化成型。冷却风扇的转速通常设置为恒定，或根据打印高度以及模型打印部位的形状进行调整，不参与打印头的温度控制。

3d打印机工作时，挤出头的挤出速度通常会发生变化。在打印模型外表面时，挤出头的移动速度低，材料挤出较慢；在打印模型内部填充和支撑结构时，挤出头移动速度高，材料挤出较快。在打印过程中，材料挤出速度变化的频次很高，通常间隔几秒钟就会发生一次。当材料挤出速度变化时，单位时间内其熔化吸收的热量也会变化，进而会导致喷嘴温度快速变化。

以3d打印常用耗材abs为例，当挤出线宽0.4mm，层高0.2mm，挤出头移动速度每增加40mm/s，材料的挤出速度增加3.2mm³/s，从室温加热到230℃熔融态吸收的热量增加约1焦耳。当打印速度突然增加而加热部件对喷嘴传递热量的速度不变时，熔融材料每秒钟多吸收1焦耳热量，将使2克重的铜质喷嘴温度每秒钟下降约1.3℃。

由于喷嘴与测温部件、加热部件与喷嘴间温度的传导有滞后，并且温度控制算法也存在时间延迟，这种挤出头材料挤出速度变化导致的喷嘴温度快速波动无法被温度控制机制所消除。尤其在高速度打印时，材料熔化后快速挤出吸收大量的热，喷嘴温度快速下降使材料熔化速度跟不上挤出速度，容易出现挤出中断。这种现象既降低了3d打印机的打印质量，又限制了打印速度的进一步提高。

技术实现要素：

本发明的目的是解决fdm3d打印机喷嘴温度随材料挤出速度变化而波动的问题，提供一种根据材料挤出速度调整挤出头冷却风扇转速，消除材料挤出速度变化时喷嘴温度波动的方法。

本发明所述方法通过以下步骤实现：（1）设置以材料挤出速度为自变量x，冷却风扇转速百分比为因变量y的调整函数f，随x的增加降低y值；（2）获取3d打印机材料挤出速度x；（3）根据材料挤出速度和调整函数f计算冷却风扇转速百分比y；（4）根据计算结果y调整冷却风扇转速。（5）重复步骤（2）~（4）。

作为本发明的优化方案，调整函数f可以设置为线性分段函数，

式中参数设置为x0=3mm³/s，x1=10mm³/s，y0=100%，y1=30%，k=0.1。参数取值可根据3d打印机实测数据调整。

采用本技术方案，在打印模型外表面时，挤出头的移动速度低，材料挤出较慢，对应风扇转速高，并不会影响成型表面质量。在打印模型内部填充和支撑结构时，挤出头移动速度高，材料挤出较快，对应风扇转速低，喷嘴温度不会因材料熔吸热而下降，更容易挤出避免断线堵头。

与现有的技术相比，本发明的有益效果是：本发明方法简单、设计合理、容易实现，可有效平抑3d打印机材料挤出速度变化导致的喷嘴温度波动，提高打印质量。

附图说明

图1是挤出头结构示意图。

图中，1、喷嘴；2、加热部件和测温部件；3、冷却风扇。

具体实施方式

实施例一：一种冷却风扇辅助控制喷嘴温度的3d打印机，其控制方法包括下列步骤：

（1）设置以材料挤出速度为自变量x，冷却风扇转速百分比为因变量y的调整函数f，随x的增加降低y值；（2）启动打印任务；（3）获取3d打印机材料挤出速度x；（4）根据材料挤出速度和调整函数f计算冷却风扇转速百分比y；（5）根据计算结果y调整冷却风扇转速。（6）间隔一定时间重复步骤（3）~（5）直至打印结束。

实施例二：一种冷却风扇辅助控制喷嘴温度的3d打印切片方法，包括下列步骤：

（1）设置以材料挤出速度为自变量x，冷却风扇转速百分比为因变量y的调整函数f，随x的增加降低y值；（2）启动切片任务；（3）计算当前指令3d打印机材料挤出速度x；（4）根据材料挤出速度和调整函数f计算冷却风扇转速百分比y；（5）根据计算结果y设置冷却风扇转速。（6）当3d打印机材料挤出速度x发生变化时重复步骤（3）~（5），直至切片结束。

技术特征：

技术总结
本发明提供一种根据材料挤出速度调整挤出头冷却风扇转速，消除材料挤出速度变化时喷嘴温度波动的方法。所述方法通过设置调整函数，在打印过程中根据材料挤出速度和调整函数计算冷却风扇转速百分比，调整冷却风扇转速改变喷嘴散热速度，抵消材料熔化吸收热量的变化，进而消除温度波动。与现有的技术相比，本发明方法简单、设计合理、容易实现，可有效平抑3D打印机材料挤出速度变化导致的喷嘴温度波动，提高打印质量。

技术研发人员：郑培森
受保护的技术使用者：郑培森
技术研发日：2019.03.18
技术公布日：2019.06.07