熔融沉積3D打印工藝過程能耗建模與優(yōu)化分析研究 計算機專業(yè)

熔融沉積3D打印工藝過程能耗建模與優(yōu)化研究摘要隨著3D打印技術的快速發(fā)展，熔融沉積（FDM）作為眾多3D打印技術工藝之一。與其它3D打印技術一樣，其綠色制造性能受到了廣泛的關注。為了制造出相同質量的模型，3D打印機消耗的電能比注塑成型高出50到100倍。此外，由于受到原理及工藝限制，采用FDM技術進行塑料制品打印時，耗時較長且仍然存在原材料浪費的情況。本文從熔融沉積3D打印機整個工藝過程能耗的角度分析了熔融沉積3D打印工藝過程的能耗，并從打印質量、打印效率和打印能耗這三個方面進行研究與優(yōu)化。首先，介紹國內外3D打印機的發(fā)展現(xiàn)狀和3D打印機能耗的研究現(xiàn)狀，分析3D打印機工藝過程能耗研究的重要意義以及目前存在的問題。其次，圍繞3D打印機打印系統(tǒng)進行分析，將3D打印機主要功能模塊的能耗細化成機械部分、電子部分和軟件部分。在分析了3D打印機主要功能模塊后，對其能耗建立了數(shù)學模型，并針對桌面級3D打印機的整個流程對其工作能耗數(shù)據(jù)進行關聯(lián)，建立了打印流程狀態(tài)能耗分析模型以及時序關系的表達式，在此基礎上建立了桌面級3D打印機BPMN能耗模型。再次，建立綜合考慮打印效率、打印質量和打印能耗的熔融沉積3D打印工藝過程優(yōu)化模型，并通過NSGA-II遺傳算法對該模型進行優(yōu)化求解。最后，以海賊王喬巴的模型為例，利用MATLAB對該模型進行多目標優(yōu)化后，選擇出了一組較為理想的解，并通過本課題組自主研發(fā)的熔融沉積3D打印機進行打印。同時，利用高性能功率分析儀WT1800測出整個打印期間所消耗的電能，并與優(yōu)化值進行比較，驗證該多目標優(yōu)化方案的可行性。關鍵詞：3D打??；工藝過程；能耗模型；打印能耗；多目標優(yōu)化

AbstractWiththerapiddevelopmentof3Dprintingtechnology,FusedDepositionModeling(FDM)isoneofmanyprocessesin3Dprintingtechnology.Likeother3Dprintingtechnologies,itsgreenmanufacturingperformancehasreceivedextensiveattention.Tomakeamodelofthesamequality,3Dprintersconsumeabout50to100timesmoreenergythaninjectionmolding.Inaddition,duetothelimitationsoftheprincipleandtechnology,theuseofFDMtechnologytoprintplasticproductstakesalongtimeandthereisstillawasteofrawmaterials.Inthispaper,theenergyconsumptionoftheprocessofFusedDepositionModelingof3DprinterisanalyzedfromtheperspectiveoftheenergyconsumptionoftheFusedDepositionModeling3Dprinter,andthroughthethreeaspectsofprintingefficiency,printingqualityandprintingenergyconsumptiontostudiedandoptimized.Firstofall,introducethedevelopmentstatusof3Dprintersathomeandabroadandthecurrentresearchstatusof3Dprinters’energyconsumption,analyzethesignificanceoftheresearchonenergyconsumptionof3Dprinters’processandtheexitingproblems.Secondly,theanalysisisbasedon3Dprinterprintingsystem,andrefinetheenergyconsumptionofthemainfunctionmodulesofthe3Dprinterintoamechanicalpart,anelectronicpart,andasoftwarepart.Afteranalyzingthemainfunctionalmodulesofthe3Dprinter,amathematicalmodelforitsenergyconsumptionwasestablished.Inordertocorrelatetheworkingenergyconsumptiondataofthedesktop-level3Dprinter,anenergyconsumptionanalysismodeloftheprintingprocessstateandtheexpressionoftimingrelationshipsareestablished.Basedonthis,adesktop-level3DprinterBPMNenergyconsumptionmodelisestablished.Thirdly,establishedthemathematicalmodeloftheprintingefficiency,printingqualityandprintingenergyconsumptionoftheprocessofFusedDepositionModeling3Dprinting.Then,themathematicalmodelwasoptimizedbyNSGA-IIgeneticalgorithm.Finally,takingthemodelofOnePieceChowbaasanexample,afterusingMATLABtoperformmulti-objectiveoptimizationonthemodel,asetofmoreidealsolutionswasselected.AndthroughtheFusedDepositionModeling3DprinterindependentlydevelopedbyourgrouptoprintOnePieceChowba’smodel.Atthesametime,usingthehigh-performancepoweranalyzerWT1800tomeasuretheelectricalenergyconsumedduringtheentireprinting,andcomparedwiththeoptimizedvalue,itisprovedthatthemulti-objectiveoptimizationprogramisfeasible.Keywords：threedimensionprinting，processengineering，energyconsumptionmodel，energyconsumptionofprint，multi-objectiveoptimizing

目錄TOC\o"1-3"\h\u14457摘要 II16753Abstract III29262目錄 V17884第1章緒論 1318581.1研究背景 1230051.2研究意義 1161931.3國內外研究現(xiàn)狀 2211461.3.1國外FDM打印能耗研究現(xiàn)狀 2227101.3.2國內FDM打印能耗研究現(xiàn)狀 396921.4論文的主要內容和文章結構 443第2章3D打印機打印系統(tǒng)及工藝過程能耗建模分析 6193062.13D打印機打印系統(tǒng) 6155762.1.13D打印快速成型系統(tǒng) 625582.1.2熔融沉積制造技術 6116232.1.33D打印機主要功能模塊 753922.23D打印機能耗數(shù)學模型 11207652.2.1控制系統(tǒng)能耗建模 11188922.2.2機械系統(tǒng)能耗模型 1219002.2.3輔助加工系統(tǒng)能耗模型 1333122.3本章小結 1424808第3章3D打印機能耗多源動態(tài)能耗BPMN模型構建 1562463.1BPMN規(guī)范簡介 15299303.2能耗單元BPMN模型構建 16160813.2.1能耗單元BPMN流程模型 16188053.2.2能耗單元BPMN耦合模型 1772753.2.3能耗單元的數(shù)據(jù)關聯(lián) 1818143.3桌面級3D打印機多源動態(tài)能耗BPMN模型構建 20102103.4本章小結 2216586第4章熔融沉積3D打印工藝過程能耗多目標優(yōu)化模型建立 23274174.1優(yōu)化參數(shù)的確定 2362094.2優(yōu)化的基本準則 24110024.3目標模型建立 2522834.4優(yōu)化模型的數(shù)學表達 28160544.5本章小結 3014512第5章基于NSGA-II算法的多目標優(yōu)化 3266925.1遺傳算法基本原理 32254225.2第二代非支配排序遺傳算法（NSGA-II） 34276945.3熔融沉積3D打印機多目標優(yōu)化主程序 37239765.4熔融沉積3D打印機多目標優(yōu)化的實例驗證 39310675.5本章小結 4622670第6章總結與展望 47235496.1研究總結 4717366.2未來工作展望 4824210致謝 4910339參考文獻 502639附錄1攻讀碩士期間科研成果 5319868附錄2攻讀碩士期間參加的科研項目 54第1章緒論1.1研究背景目前，3D打印技術在全球受到廣泛的關注和重視。在中國，隨著國家智能制造業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略的實施和創(chuàng)新性社會提出，特別是在《中國制造2025戰(zhàn)略》發(fā)表以來，它一再強調要培育3D打印技術的發(fā)展，同時，3D打印技術已被列為中國未來智能制造的關鍵技術，3D打印技術在中國也迎來新的發(fā)展機遇期[1]。3D打印的想法最早出現(xiàn)在19世紀末，3D打印時一種快速成型技術，可以使用真實材料制作實體，并已應用于許多領域。國外3D打印技術已有30多年的歷史，并已廣泛應用于航空航天、生物醫(yī)學、建筑、汽車等領域。中國對3D打印技術的研究還處于初級階段，與先進國家相比還有很大差距[2]。正因為中國在3D打印技術方面的起步比較晚，和國外一些發(fā)達國家相比起來，仍舊有不少需要提高和改善的地方。然而經過大量技術人員的持續(xù)奮斗，我國目前已形成以高校為研發(fā)核心力量的格局，同時不少關鍵技術均獲得了突飛猛進，市場已具有一定規(guī)模，3D打印技術在很多領域得到了廣泛應用。具體內容如下所示：（1）我國已基本構建起以高校為核心的技術研發(fā)體系；（2）3D打印技術產業(yè)化進程加快，并構建起小規(guī)模的產業(yè)市場；（3）總體水平迅速提升，金屬3D打印技術位居全球領先地位。除此之外，國內在3D打印的關鍵技術問題上面也在不斷進行研究。具體的有：（1）如何提升3D打印粉末質量與獲得率；（2）如何制定3D打印制件無損檢測標準規(guī)范；（3）如何進一步提升3D打印設備的能力，即如何借助過程監(jiān)控系統(tǒng)改善打印質量[3]?？傊?D打印技術可以說是一場工業(yè)制造技術的革命，伴隨著新材質、激光以及其他先進科技的發(fā)展而發(fā)展，其應用領域越來越寬廣。盡管我國對于此項技術能力和發(fā)達國家相比仍舊具有很大的差距，但在科研人員的長期努力下，必將會構建起更加健全的產業(yè)化體系，走入我們的日常生活中來。1.2研究意義熔融沉積（FDM）是3D打印眾多工藝中的一種，有其優(yōu)勢和特點。但是，F(xiàn)DM打印也不是一項完美的技術，為了制造出相同質量的模型，3D打印機消耗的電能比注塑成型高出50到100倍，該實驗顯示了FDM技術在能源消耗上的缺陷[4]。此外，由于受到原理及工藝限制，采用FDM技術進行塑料制品打印時，耗時較長且仍然存在原材料浪費的情況。熔融沉積成型技術在3D打印技術中受到的關注最為廣泛，在快速成型技術方面發(fā)展最快。在熔融沉積過程中，首先將模型分成若干層，并且根據(jù)每層上模型的截面形狀來確定掃描路徑，最后完整的打印出模型。如圖1-1所示，熔融沉積成型過程中每個階段的數(shù)據(jù)處理流程。熔融沉積成型機具有以下特點使得其在市場中備受關注：其優(yōu)點包括成型設備體積小、成型成本低、成型原料多樣化、成型工藝噪音低、支撐系統(tǒng)可靠性高等特點。隨著研究的不斷深入使用快速成型技術制造相關模型的階段已經不能滿足人們對技術發(fā)展的需求，提高部件的性能和改善部件的表面粗糙度已經成為未來3D打印技術發(fā)展和使用的必然趨勢。模型層厚和單層掃描的算法對成品的質量和效率有很大的影響。因此，模型分層和單層掃描的算法在熔融沉積打印過程中占著重要的研究意義[5-7]。圖1.1熔融沉積成型數(shù)據(jù)處理流程基于以上對熔融沉積3D打印機的分析，本文主要針對打印制件的成型方向、分層厚度以及熱床持續(xù)時間為具體研究內容，將提高熔融沉積成型3D打印機的打印效率、打印質量以及打印能耗作為研究目標，為3D打印能耗提供理論依據(jù)。1.3國內外研究現(xiàn)狀1.3.1國外FDM打印能耗研究現(xiàn)狀隨著FDM技術工藝的不斷發(fā)展，F(xiàn)DM成型系統(tǒng)也得到了很大的改善。在FDM工藝發(fā)展的同時，F(xiàn)DM材料也在不斷進步。然而，F(xiàn)DM打印技術并不是一項毫無缺陷的技術，從拉夫伯拉大學的研究中得知，為了制造出同樣質量的模型，3D打印機所消耗的電能比注塑成型高出50到100倍。該實驗直觀的展現(xiàn)出FDM技術在能源消耗上的不足。此外，由于受到原理及工藝限制，采用FDM技術進行塑料制品打印時，耗時較長且仍然存在原材料浪費的情況[8-9]。對此，國外有部分學者進行了一些針對FDM打印技術的能源消耗及打印時間的研究。Yang等[10]通過對粉末顆粒與激光束能量的耦合相互作用研究，證明粉末床上吸收的能量明顯大于致密平板材料的吸收能量。Volkan等[11]從分層厚度和打印方向上著手，分析研究了不同分層厚度和打印方向對3D打印機打印出來的制件強度的影響。Mognol等[12]設計出一個由3個不同四棱柱組成的組合體，改變其擺放位置而導致模型高度變化，形成18種打印方案，用FDM打印機測量這18種方案的耗電量及耗時，結果顯示僅在需要打印支撐的模型所消耗的電量及時間較多，其他位置擺放模型并未有明顯區(qū)別。Baumers等[13]綜述性地敘述了包括FDM在內的多款3D打印機打印一千克所消耗的能源以及測得用不同打印機打印同一零件所耗電量。Watson等[14]提出了一個簡單的計算模型，用于確定增材制造或減材制造對于生產給定金屬部件是否更節(jié)能?，F(xiàn)有的研究大都集中在耗電量研究上，且主要研究單一模型位置不同導致的耗電量的區(qū)別，或者是不同品牌打印機的能耗率。Amir等[15]通過引入“支撐結構拓補敏感性”的概念，并運用拓補優(yōu)化設計對打印支撐的結構進行優(yōu)化。Tang等[16]從可持續(xù)性設計出發(fā)，提出了一個可以在LCA中集成設計階段最大限度地減少增材制造工藝的產品環(huán)境影響的總體框架。Gosselin，Singh，Alberto等[17-19]根據(jù)打印表面的成型質量分別進行了評估和分析優(yōu)化。Anoop等[20]從3D工藝可持續(xù)性的方面出發(fā)，根據(jù)分層的過程使得增材制造過程朝著可持續(xù)性方向發(fā)展，并進行了優(yōu)化。Donghong等[21]從軸向之間的關系出發(fā)，將增材制造的整個過程利用自適應分層將其優(yōu)化。Srivastava，Changning等[22-23]從工藝過程中的微觀特征出發(fā)，對整個打印成型的過程進行研究優(yōu)化。依據(jù)FDM打印原理和工藝可知，F(xiàn)DM打印塑料制品時的電量消耗和打印時間主要與打印路徑相關，而制品模型的不同形狀及擺放位置會導致打印路徑的不同，從而帶來電量消耗和打印時間的區(qū)別?，F(xiàn)有的研究大都集中在耗電量研究上，且主要研究單一模型位置不同導致的耗電量的區(qū)別，或者是不同品牌打印機的能耗率。依據(jù)FDM打印原理和工藝可知，F(xiàn)DM打印塑料制品時的電量消耗和打印時間主要與分層厚度和打印路徑相關。因此，有必要系統(tǒng)地研究模型的打印方向、分層厚度和打印路徑對FDM打印耗電量和效率的影響。1.3.2國內FDM打印能耗研究現(xiàn)狀伴隨計算機輔助設計和制造、計算機控制技術的不斷發(fā)展，復雜模型的設計和制造已不再是難事。減材制造相對而言則是耗材、耗時的制造方法。因此，為了有效的提升3D技術的優(yōu)越性，合理的優(yōu)化其打印速度、打印成本以及打印能耗是很有必要的[24-26]。國內一些學者從不同的角度對FDM打印能耗及綠色性能研究方面做出貢獻。張雷等[27]根據(jù)碳排放源，將其分為能耗碳排放、物料碳排放和廢舊回收處理碳排放，并整理出整個打印過程中碳排放的總量。韓江等[29]通過數(shù)學建模，分析了模型的主要工藝參數(shù)，推理出了表面精度誤差和尺寸誤差產生的原因，最后得出了表面精度誤差函數(shù)。潘海鵬、劉紅霞、趙吉賓、侯章浩等[30-33]分別從3D打印機的打印分層和打印方向出發(fā)，分別提出了一些有利于打印方向、打印分層優(yōu)化的方法。王潔瑜等[34]從設計的模型結構出發(fā)，對3D打印機在打印的材料消耗上進行優(yōu)化。作為新型數(shù)字化制造技術的3D打印機，與三軸數(shù)控加工機床的工作方式類似，只是和傳統(tǒng)的機床相較起來切削加工的方式不同，它主要通過計算機控制進行逐層堆積來制造產品。伴隨3D打印技術的不斷發(fā)展、3D打印的應用越來越多，以及桌面級3D打印機的普及，提高打印效率、增加打印質量以及降低打印能耗尤為重要。1.4論文的主要內容和文章結構熔融沉積成型的工藝參數(shù)對產品的質量具有非常重要的影響。合理的工藝參數(shù)選擇，不僅在時間上、成本上達到一些優(yōu)化的效果，讓打印時間更短、打印成本更節(jié)省，而更為重要的是，隨著綠色、可持續(xù)發(fā)展政策方針提出以來，針對熔融沉積3D打印機在打印過程中能耗的優(yōu)化顯得尤為重要。本文將從幾個方面進行研究：第一章簡要介紹了FDM工藝過程及其打印原理，其次對國內外3D打印機的研究現(xiàn)狀以及3D打印機的能耗研究現(xiàn)狀進行說明，并在分析了該工藝過程的優(yōu)缺點后，提出了本論文研究的目的和意義，最后梳理了整篇文章所敘述的整體的內容。第二章主要研究3D打印系統(tǒng)及工藝過程能耗部件進行拆解分析。將熔融沉積3D打印機的所有的耗能部件進行統(tǒng)計，根據(jù)3D打印機在工作打印時的時間和能耗關系，從時間軸流程來對其進行整合，使3D打印機的耗能情況直觀的展現(xiàn)出來。第三章主要介紹了BPMN模型的規(guī)范和使用方法，研究建立了BPMN模型，其中包括能源消耗單元BPMN流程模型、能源消耗單元BPMN耦合模型、能源消耗單元的數(shù)據(jù)關聯(lián)。隨后，在3D打印機的能耗部件建立流程模型、耦合模型以及數(shù)據(jù)關聯(lián)后，建立了桌面級熔融沉積3D打印機的BPMN模型。第四章主要在確定優(yōu)化參數(shù)后，針對3D打印機打印過程所需優(yōu)化的基本準則，對3D打印成型制件能耗通過打印質量、打印時間以及打印能耗這三個方面綜合考慮得到最為節(jié)能的方式，其中針對上述三個方面對打印方向、打印分層以及熱床準備時間建立優(yōu)化函數(shù)。第五章在介紹了NSGA-II算法的原理以及主程序后，針對第四章所歸納的優(yōu)化函數(shù)，整理出所需的程序來海賊王喬巴這個模型進行優(yōu)化，最后，根據(jù)優(yōu)化結果在本課題組自主研發(fā)的桌面級3D打印機上進行打印，并展示出了其模型圖和效果圖，最后對實驗結果進行比較與分析。第六章是對本文所作出的研究方法和成果進行總結，并對未來可能的改進方向上進行補充說明。

第2章3D打印機打印系統(tǒng)及工藝過程能耗建模分析2.13D打印機打印系統(tǒng)作為一種快速成型技術，3D打印技術因其爆炸式增長而被大眾所了解。“3D打印”是我們日?？陬^名稱，“快速成型制造技術”才是其正式的名稱。3D打印技術是是根據(jù)人們的需求來設計和制造出的三維模型數(shù)據(jù)，并且通過組合原材料堆疊的方法來完成符合制造機的使用。打印所需模具或零件的最終產品，達到降低制造成本和縮短制造周期的目的?；跀?shù)字化三維模型，該技術結合了切片仿真軟件、路徑規(guī)劃技術以及數(shù)控加工技術?？焖僦圃齑蛴〕鋈S實體模型的能力被廣泛應用于許多行業(yè)，如科學研究、文物保護、原型驗證、制造、建筑設計、藝術等[35]。三維快速成型軟件系統(tǒng)是3D打印的關鍵系統(tǒng)之一，它是連接3D設計軟件系統(tǒng)和3D打印硬件系統(tǒng)的橋梁。這是確保3D打印質量的關鍵技術之一?，F(xiàn)有的三維打印機基本上都缺乏較強的成型軟件系統(tǒng)，導致大量的三維模型無法成功打印出來。正因為這一點也常常使得3D打印在材料消耗巨大，并且延長了打印周期，從而嚴重阻礙三維打印機的普及。2.1.13D打印快速成型系統(tǒng)3D打印快速成型系統(tǒng)是基于離散或堆積制造靈感的快速成型技術，對于打印材料而言，可以塑料、陶瓷亦或是金屬的粉末等，而其成型重中之重則需要尋找符合要求的粘接劑和原材料粉末。3D打印快速成型技術的工作原理是：工作期間，粉末攤鋪機在生產臺上填充滿一層粉末材料，打印噴頭按照成型工件的截面信息，在水平面上通過控制橫軸和豎軸的運動，并且控制噴涂的粘合劑量。粘接劑進入粉末的孔并將其粘合以形成工件的橫截面輪廓。在第一層成型完成后，成型電機將工作臺移動至下一個水平面，并且在下一層粉末被粘合后，繼續(xù)上一步的操作，循環(huán)往復，直到最后一層的粉末涂層的粘合完成，最終形成三維工件。FDM三維打印快速成型采用熔融技術將材料熔融后，將其通過送絲機構擠壓出來，并逐層堆積成所需的物品，作為先進工業(yè)技術之一，具有以下特點：（1）體現(xiàn)了3D打印快速成型技術的巨大優(yōu)勢，即設計和制造在一定程度上的一體化，和傳統(tǒng)的加工工藝相比起來，所需投入的成本較少；（2）可以在不受工件形狀和結構限制的情況下直接制造復雜的模型，即其具有高靈活性的表現(xiàn)；（3）3D打印技術充分的體現(xiàn)了將設計快速、準確、自動地轉化為真實的產品模型，從而降低了研發(fā)成本。2.1.2熔融沉積制造技術熔融沉積成型工藝的基本原理是將絲狀的可塑性材料不斷地送入噴頭，通過加熱器將絲狀材料加熱后以可以流通的狀態(tài)將其從噴頭中擠出，最后將擠出的熔融態(tài)材料進行逐層堆積形成最后的成品形狀。熔融沉積成型系統(tǒng)包括有：控制系統(tǒng)、傳動機構、擠出機構、工作臺和床身五個部分，如圖2.1所示。擠出機構是結構最為復雜、并且在成型的整個過程中起著重要的作用，它主要由三部分組成：噴嘴、加熱室和送絲機構。圖2.1熔融沉積3D打印機原理圖熔融沉積成型設備通常采用雙噴嘴結構，并且分別使用兩個噴嘴來完成零件主體材料和支撐材料的成型工作。在傳動系統(tǒng)的作用下，噴嘴將熔融的材料填充到部件的橫截面中。沿著規(guī)劃好的掃描路徑，在成型溫度的情況下，由噴頭噴射出熔融材料與相鄰材料固話，然后結合在一起；通過控制噴頭掃描路徑，實現(xiàn)了單層部分上從點到線以及從線至面的累積成型。在單層打印完成后，通過傳統(tǒng)機構將噴頭提升至下一個打印層，繼續(xù)打印下一層，并將新的一層和前一層粘結到一起并在保持成型溫度的情況下完成固化。一層一層的打印，直到零件的整個成品完畢。從材料的使用上考慮，有時則需要添加一些懸臂結構來進行輔助支撐，既能保證成型件的形狀特征，又能保證打印材料的不浪費。因此，在采用了懸臂結構來打印制件的時候則需采用雙噴頭模式來打印，在保證擠出不同特性材料的情況下，也能保證打印完成后支撐結構材料去除的方便。2.1.33D打印機主要功能模塊根據(jù)桌面級3D打印機的需求，本文主要將3D打印機的重點功能模塊分三部分。首先，從機械部分進行說明；其次，從電子部件這一塊進行說明；最后，從所需的軟件部分進行說明。1.機械部分（1）機架機架主要用于固定桌面級3D打印機里面的步進電機等傳動件、噴頭組件、熱床以及控制主板。其次，相對于本文的桌面級3D打印機而言，機架起到了確定X軸、Y軸、Z軸方向上的運動方向的穩(wěn)定，同時，也起到了對打印噴頭在X軸、Y軸、Z軸上運動時限位的作用。（2）步進電機等傳動件步進電機作為一種開環(huán)控制電機，可將電脈沖信號轉變成角位移和線位移。在載荷范圍內的情況下，電機的轉速和停止位置僅取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)。在不影響負載變化的情況下，當步進驅動器接收到脈沖信號時，驅動步進電機以固定角度旋轉旋轉固定角度。它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。角位移量可通過控制脈沖數(shù)來控制，以實現(xiàn)精確定位。同時，可以通過控制脈沖頻率來控制電機的轉速和加速度，從而起到調整步進電機速度的目的。步進電機是一種感應電機，其工作原理主要是借助電子電路，由直流電轉變?yōu)榉謺r供電。通過步進電機的電流供應，步進電機可以正常工作。相對于本文中的桌面級3D打印機，主要通過X軸、Y軸、Z軸的步進電機來控制打印噴頭的位置，從而準確、快速、穩(wěn)定的到達指定位置，使得打印件準確的打印出來。（3）噴頭組件本文研發(fā)的桌面級3D打印機的打印噴頭主要由送絲機構、制冷裝置、喉管冷卻組件、噴頭熱端組件、喉管組件和控制裝置等結構組成。（4）熱床熱床對于固定模型很重要，由于現(xiàn)在使用的原材料都是ABS和PLA，因此在打印機打印物件的時候，由于熱脹冷縮的原因，輕的模型會導致模型翹邊，重的模型則容易脫離平面造成位移或錯位。因此，對于在整個打印系統(tǒng)中，添加熱床來對打印過程中的制件進行保溫的同時，還可以使制件在降溫時保持穩(wěn)定，為了提高打印制件的整體質量，從而確保打印制件的成功率。2..電子部分（1）Melzi主板Melzi是ArduinoLeonardo開發(fā)的集成3D打印機控制面板，并且進行了量產。有了它，設計人員可以減少不必要的調試電路的麻煩，專注于整個系統(tǒng)的開發(fā)和想法的實現(xiàn)。Melzi還附帶一些擴展端口，除了Reprap3D打印機外，還可用于其它DIY激光雕刻機、三軸定位平臺、機器人等DIY開發(fā)。Melzi的硬件和軟件都是開元的，對于更專業(yè)的DIY玩家，他們還可以根據(jù)原始數(shù)據(jù)進行進一步的審計和擴展。Melzi主板如圖2-2所示。EQ\o\ac(○,1)-X軸電機接口EQ\o\ac(○,2)-Y軸電機接口EQ\o\ac(○,3)-Z軸電機接口EQ\o\ac(○,4)-擠出頭電機接口EQ\o\ac(○,5)-12V-30V電源輸入EQ\o\ac(○,6)-熱床接口EQ\o\ac(○,7)-擠出頭加熱器接口EQ\o\ac(○,8)-X軸限位輸入EQ\o\ac(○,9)-Y軸限位輸入EQ\o\ac(○,10)-Z軸限位輸入EQ\o\ac(○,11)-熱床溫敏電阻接口EQ\o\ac(○,12)-擠出頭溫敏電阻接口EQ\o\ac(○,13)-步進電機驅動芯片EQ\o\ac(○,14)-電源選擇跳線EQ\o\ac(○,15)-ATMEGA單片機EQ\o\ac(○,16)-TF卡插槽EQ\o\ac(○,17)-MiniUSB接口EQ\o\ac(○,18)-擴展槽EQ\o\ac(○,19)-自動復位跳線圖2-2Melzi硬件示意圖（2）擴展模塊本文中展示的桌面級3D打印機的開發(fā)模塊主要包括：控制器、溫度控制模塊、電機驅動模塊、風扇、限位器等。控制器：按照預定順序改變主電路或控制電路的接線盒改變電路中電阻值來控制電動機的啟動、調速、制動和反向的指令裝置。它由一個程序計數(shù)器，一個指令寄存器，一個指令譯碼器，一個時序產生器和一個操作控制器組成。電機驅動模塊：其主要功能可以控制電機的運行、調速、停止、步進、勻速等操作。溫度控制模塊：通過溫度控制模塊來控制擠出頭加熱器和熱床，以確保打印質量符合要求。限位器：通過限位器的控制來約束打印噴頭的位置，防止超出行程等有損打印機質量的問題。風扇：由于擠出機長時間工作，而出料回抽未必很順暢，因此會導致發(fā)熱很嚴重。如果長時間高溫工作，里面的磁性會減弱。因此，有必要對3D打印機安裝風扇。3.軟件部分（1）Arduino開發(fā)環(huán)境Arduino是一個開源的電子原型平臺，它非常簡單、靈活且易于使用。它建立在開放原始碼I/O界面版，并具有使用類似Java和C語言的開發(fā)環(huán)境。主要包含兩個主要的部分：硬件部分是Arduino電路板，可用于連接電路；另外一個是電腦中的程序開發(fā)環(huán)境ArduinoIDE。當你使用它時，只需要在IDE中編寫程序代碼即可。Arduino可以通過各種傳感器和反饋信息來感知環(huán)境，并通過控制燈光、電機和其他設備來影響環(huán)境。板上的微控制器可以用Arduino的編程語言編寫程序，將它們編譯成二進制文件，并將它們燒寫到微控制器中，從而實現(xiàn)對設備的控制。Arduino的編程是通過Arduino編程語言（基于Wiring）和Arduino開發(fā)環(huán)境（基于Processing）實現(xiàn)的。（2）Cura切片軟件Cura是一款智能前端顯示器，可用來調整打印分層厚度的大小的軟件。其中，打印機固件：打印機固件讀取實時數(shù)據(jù)（如溫度傳感器），并控制硬件來完成整個打印過程。它主要功能是讀取“轉到X、Y、Z坐標”和“擠壓”命令，然后轉化成電機的輸入。打印機的軟件界面：在使用的過程中，我們默認的將ReplicatorG切換到Cura打印軟件，通過切片軟件將3DSTL對象轉換為G代碼的打印機命令，Cura可用于Windows，Linux和Mac，通過對打印參數(shù)的設計來控制打印的整個質量。（3）Pronterface可視化操控軟件Pronterface是一款可視化3D打印機控制軟件，支持使用命令行代碼來控制打印機。通過使用Pronterface的控制面板，將其連接打印機、移軸、監(jiān)控溫度等。從而可以在打印成型之處直觀的顯示出來。2.23D打印機能耗數(shù)學模型3D打印機能耗數(shù)學模型主要針對桌面級3D打印機從三維模型的設計開始、到三維模型轉為STL格式文件、再將圖形切片處理轉為G代碼、再將G代碼轉入核心控制器Atmege128單片機、再由單片機輸出控制加熱器以及擠出電機、并配合著步進電機驅動器來控制X軸、Y軸、Z軸的運動，通過這些運動的整合來梳理出整個桌面級3D打印機的能耗情況。在整個打印的過程，本文以時間軸的形式來記錄分析能耗的整個使用情況。針對軟硬件以及保障打印制件所消耗的能耗不同，分為控制系統(tǒng)能耗建模、機械系統(tǒng)能耗建模和輔助加工系統(tǒng)能耗建模。其中，控制系統(tǒng)能耗模型E1包括：三維模型的設計時所消耗的電能EDesign、三維模型轉為STL格式文件所消耗的電能ETransform1、圖形切片處理轉為G代碼所消耗的電能ETransform2、G代碼轉入到核心控制器Atmege128單片機中所消耗的能耗ETransfer以及在打印機打印的時候所控制的機械系統(tǒng)的電能EControl。機械系統(tǒng)能耗模型E2包括：X軸步進電機所消耗的電能EMachine1、Y軸步進電機所消耗的電能EMachine2、Z軸步進電機所消耗的電能EMachine3、擠出頭電機所消耗的電能EExtrusion以及打印噴頭降溫時所需的風扇所消耗的電能EDissipation。輔助加工系統(tǒng)能耗模型E3包括：擠出頭加熱器所消耗的電能EHeat1和熱床所消耗的電能EHeat2。2.2.1控制系統(tǒng)能耗建模針對本文所研究的桌面級3D打印機，其控制系統(tǒng)主要是將CAD設計出來的圖形，通過Cura切片軟件以及Pronterface可視化操作軟件，轉化成3D打印機能夠執(zhí)行的代碼。同時，在3D打印機工作的時候，通過其程序，以及反饋量來對打印噴頭進行合理控制，從而實現(xiàn)打印制件的完成。控制系統(tǒng)能耗模型E1包括：三維模型的設計時所消耗的電能EDesign、三維模型轉為STL格式文件所消耗的電能ETransform1、圖形切片處理轉為G代碼所消耗的電能ETransform2、G代碼轉入到核心控制器Atmege128單片機中所消耗的能耗ETransfer以及在打印機打印的時候所控制的機械系統(tǒng)的電能EControl。根據(jù)上述模型所消耗的電能，對其進行能耗建模：三維模型的設計時所消耗的電能EDesign，如公式（2-1）所示，其中函數(shù)Pdesign(t)代表的是操作人員在對CAD模型進行設計的時候所消耗功率的時間函數(shù)，其整個設計所花費的時長為td。（2-1）三維模型轉為STL格式文件所消耗的電能ETransform1，如公式（2-2）所示，其中函數(shù)Ptransform1(t)代表的是操作人員在對三維模型轉為STL格式文件時所消耗功率的時間函數(shù)，其整個轉換所花費的時長為tt1。（2-2）圖形切片處理轉為G代碼所消耗的電能ETransform2，如公式（2-3）所示，其中函數(shù)Ptransform2(t)代表的是操作人員在對圖形切片處理轉為G代碼時所消耗功率的時間函數(shù)，其整個轉換所花費的時長為tt2。（2-3）G代碼轉入到核心控制器Atmege128單片機中所消耗的能耗ETransfer，如公式（2-4）所示，其中函數(shù)Ptransfer(t)代表的是G代碼轉入到核心控制器Atmege128單片機時所消耗功率的時間函數(shù)，其整個轉入所花費的時長為tt3。（2-4）打印機在打印的時候所控制的機械系統(tǒng)的電能EControl，如公式（5）所示，其中函數(shù)Pcontrol(t)代表的是打印機在打印的時候，核心控制器在控制機械系統(tǒng)時所消耗功率的時間函數(shù)，其整個打印所花費的時長為tc。（2-5）2.2.2機械系統(tǒng)能耗模型針對本文所研究的桌面級熔融沉積3D打印機，其機械結構，主要通過控制X軸、Y軸、Z軸運動的步進電機、擠出頭電機以及風扇，來使得打印噴頭到達指定的位置，將熔融的材料擠壓出來，同時利用風扇來對打印噴頭進行降溫，保障熔絲處于一個適用的溫度。機械系統(tǒng)能耗模型E2包括：X軸步進電機所消耗的電能EMachine1、Y軸步進電機所消耗的電能EMachine2、Z軸步進電機所消耗的電能EMachine3、擠出頭電機所消耗的電能EExtrusion以及打印噴頭降溫時所需的風扇所消耗的電能EDissipation。根據(jù)上述模型所消耗的電能，對其進行能耗建模：X軸步進電機所消耗的電能EMachine1，如公式（2-6）所示，其中函數(shù)Pmachine1(t)代表的是X軸步進電機所消耗功率的時間函數(shù)，其中，X軸步進電機在整個打印的過程中，所花費的時長為tm1。（2-6）Y軸步進電機所消耗的電能EMachine2，如公式（2-7）所示，其中函數(shù)Pmachine2(t)代表的是Y軸步進電機所消耗功率的時間函數(shù)，其中，Y軸步進電機在整個打印的過程中，所花費的時長為tm2。（2-7）Z軸步進電機所消耗的電能EMachine3,如公式（2-8）所示，其中函數(shù)Pmachine3(t)代表的是Z軸步進電機所消耗功率的時間函數(shù)，其中，Z軸步進電機在整個打印的過程中，所花費的時長為tm3。（2-8）擠出頭電機所消耗的電能EExtrusion，如公式（2-9）所示，其中函數(shù)代表的是擠出頭電機所消耗功率的時間函數(shù)，其中，擠出頭電機在整個打印的過程中，所花費的時長為te。（2-9）打印噴頭降溫時所需的風扇所消耗的電能EDissipation，如公式（2-10）所示，其中函數(shù)代表的是打印噴頭降溫時所需的風扇所消耗功率的時間函數(shù)，其中，打印噴頭降溫時所需的風扇在整合打印的過程中，所花費的時長為tdis。（2-10）2.2.3輔助加工系統(tǒng)能耗模型針對本文所研究的桌面級3D打印機，其輔助加工系統(tǒng)，主要是結合控制系統(tǒng)以及溫度的反饋，對打印制件進行溫度控制，從而使得打印的制件能夠滿足要求。輔助加工系統(tǒng)能耗模型E3包括：擠出頭加熱器所消耗的電能EHeat1和熱床所消耗的電能EHeat2。根據(jù)上述模型所消耗的電能，對其進行能耗建模：擠出頭加熱器所消耗的電能EHeat1，如公式（2-11）所示，其中函數(shù)Pheat1(t)代表的是擠出頭加熱器所消耗功率的時間函數(shù)，由于打印制件本身的要求，其擠出頭加熱器對于溫度的控制是非常嚴苛的，過高或者過低都會導致打印制件性能。其中，擠出頭加熱器在整個打印的過程中，所花費的時長為th1。（2-11）熱床所消耗的電能EHeat2，如公式（2-12）所示，其中函數(shù)Pheat2(t)代表的是熱床在整個打印機打印過程中所消耗功率的時間函數(shù)，由于打印制件本身的要求，其熱床起到了保溫和緩慢降溫的作用，有效的防止了因為快速冷卻而引起的制件變形。其中，熱床在整個打印的過程中，所花費的時長為th2。（2-12）通過以上式（2-1）一直到（2-12）中所述的桌面級熔融沉積3D打印機的整個打印過程細分的表達式，可以得到其總的能耗E總為（2-13）2.3本章小結本章主要是對3D打印系統(tǒng)及工藝過程能耗建模分析，第一節(jié)主要針對3D打印系統(tǒng)進行了的介紹，隨后又分別對3D打印快速成型系統(tǒng)、熔融沉積制造技術進行了闡述。最后，針對3D打印主要功能模塊進行分析，將其刨分為三個板塊，其一是對機械部分進行部件的解釋說明、其二是對使用到的電子部分進行了解釋說明、其三是對操作過程中所使用的軟件部分進行了解釋說明。第二節(jié)針對本課題組自主研發(fā)的桌面級3D打印機進行能耗建模，其中將其劃分為三個系統(tǒng)，第一個是控制系統(tǒng)能耗建模，主要包括從產品的設計到格式的轉化，最后到產品成型所需要的一些弱電的能耗集合；第二個是機械系統(tǒng)能耗建模，分別是對控制系統(tǒng)控制的定位電機所消耗的能耗進行建模，主要包括控制打印噴頭前后、左右、上下運動的步進電機，再者就是打印噴頭在打印時所需要的擠出頭電機以及對打印噴頭降溫用的風扇；第三個是輔助加工系統(tǒng)能耗建模，其主要作用是對送絲機構的熔絲起到一個加熱保溫的作用以及打印制件的溫度控制，這兩塊主要是通過擠出頭加熱器以及熱床來起到作用，通過這兩個裝置來使送絲機構順利送絲，防止打印制件的翹曲變形，同時，這兩個裝置從打印機運行的開始，就一直伴隨著打印制件的整個過程，可謂是相當?shù)闹匾?/p>

第3章3D打印機能耗多源動態(tài)能耗BPMN模型構建能耗分析作為分析機床能源消耗特性的重要方法，但由于機床能耗部件數(shù)量龐大，同時，能耗問題涉及學科領域眾多，建立一套3D打印機能源消耗多源動態(tài)特性模型是非常困難的。在此基礎上，通過引入工業(yè)工程分析的思想，提出了一種基于BPMN的3D打印機能耗多源動態(tài)建模方法。使用BPMN2.0符號和語義來描述桌面級3D打印機的工作流程和其相關組件的耦合關系。建立能耗數(shù)據(jù)與BPMN模型之間的關聯(lián)，實現(xiàn)桌面級3D打印機過程中多源能耗動態(tài)特性的系統(tǒng)表達。3.1BPMN規(guī)范簡介BPMN是一種支持業(yè)務流程描述方法，支持業(yè)務流程的可視化建模。最早由業(yè)務流程管理倡議組織BPMI(Thebusinessprocessmanagementinitiative)于2003年提出了BPMN1.0規(guī)范，經過7年的修訂和完善，于2011年由對象管理組織OMG(ObjectManagementGroup)推出了BPMN2.0標準[36,38]。BPMN2.0具有豐富的符號語義。憑借簡單直觀且易于實施的技術優(yōu)勢，它已得到包括IBM、SAP在內的許多公司的支持。它是目前業(yè)務流程最流行的可視化描述語言[37]。BPMN2.0[26]提供的建模元素和符號主要包括四種：流對象、連接對象、泳道和附件。常用的元素及符號如表3.1所示。表3.1BPMN2.0主要模型符號分類基本元素模型符號流對象(FlowObjective)事件(Events）活動(Activities)網關(Gateways)連接對象(ConnectingObjective)順序流(SequenceFlows)消息流(MessageFlows)關聯(lián)(Associations)數(shù)據(jù)關聯(lián)(DataAssociations)數(shù)據(jù)(Data)數(shù)據(jù)對象(DataObjects)泳道(Swimlanes)泳池(Pools)泳道(Lanes)附件(Artifacts)組(Group)文字注釋(TextAnnotation)3.2能耗單元BPMN模型構建在本文中，桌面級3D打印機能量消耗單元的工作狀態(tài)是一個流對象，并且將設計開始到打印停止狀態(tài)作為整個過程的開始和結束事件，CAD圖形設計、文件的格式轉換、G代碼的導入、擠出頭加熱器以及熱床的預熱、熔絲的擠出、打印制件的冷卻以及導軌的工作狀態(tài)視為活動，建立了能耗單元BPMN流程模型和耦合關系模型，同時研究了模型的數(shù)據(jù)關聯(lián)方法。3.2.1能耗單元BPMN流程模型（1）非時變能耗單元的BPMN流程模型如圖3.1所示。圖3.1非時變能耗單元BPMN流程模型針對本文中所述的桌面級3D打印機而言，其非時變能耗單元所包含的對象就是對打印擠出頭降溫用的風扇，其伴隨著打印擠出頭從預熱一直到停止擠出。時變能耗單元的BPMN流程模型如圖2所示。該過程中的時變能耗單元包括：CAD圖形設計、文件的格式轉換、G代碼的導入、擠出頭加熱器以及熱床的預熱、熔絲的擠出、運行等狀態(tài)活動，為降低模型的復雜性，這些狀態(tài)在時間操作之前和之后被分組，通過BPMN的組來表示，如圖3.2所示。圖3.2時變能耗單元BPMN流程模型對于本文中介紹的桌面級3D打印機，其時變能耗單元包含以下對象：CAD圖形設計、文件的格式轉換、G代碼的導入、擠出頭加熱器以及熱床的預熱、熔絲的擠出、運行等狀態(tài)活動。其中，CAD圖形設計、文件的格式轉換、G代碼的導入是通過電腦上的軟件來執(zhí)行，隨著軟件的運行狀態(tài)和時長來確定其整體能耗，而擠出頭加熱器以及熱床的預熱、熔絲的擠出、運行等狀態(tài)活動則是在設備3D打印機上執(zhí)行的，并隨著程序中的命令來執(zhí)行操作。3.2.2能耗單元BPMN耦合模型通過對桌面級3D打印機能耗單元的分析，將能耗單元的耦合關系總體歸納為五種類型：并行、互斥、包含、等待和即時終止。建立BPMN耦合模型如表3.2所示。表3.2能耗單元耦合關系的BPMN描述3.2.3能耗單元的數(shù)據(jù)關聯(lián)BPMN流程模型和耦合關系模型可以系統(tǒng)地描述桌面級3D打印機能耗單元的動作流程和配合關系。為進一步分析其能耗特性，還需要將這些狀態(tài)中包含的能耗信息與BPMN模型進行數(shù)據(jù)關聯(lián)。（1）工作狀態(tài)能耗數(shù)據(jù)關聯(lián)。據(jù)此前分析，針對桌面級3D打印機能耗單元工作狀態(tài)的能耗數(shù)據(jù)主要包括：（2-1）至（2-12）中涉及的計算參數(shù)和計算方法。對于非時變能耗單元，主要為其額定功率和持續(xù)時間的運行狀態(tài)。對于時變能耗單元，在對時變能耗單元BPMN模型進行介紹的時候，就具體指出針對桌面級3D打印機所涉及到的時變計算公式，所包含的數(shù)據(jù)還需要結合不同時變能耗單元的特性。例如，筆者以桌面級3D打印機為研究對象，針對不同的步驟和工作條件組織能耗分析模型。對于桌面級3D打印機的能耗，主要分為兩部分，其中之一是電腦工作狀態(tài)下對所見實物模型的CAD設計以及文件格式等的轉化和G代碼的導入；其二，是在3D打印機在G代碼導入后所進行的程序的命令執(zhí)行，其中包括擠出頭和熱床的預熱，以及打印噴頭隨著程序命令所執(zhí)行前后、左右、上下和擠出的運動，最后則是為了保證打印制件的質量所進行的保溫降溫。綜合以上兩方面，推導出能耗分析模型。方程式（3-1）表示桌面級3D打印機系統(tǒng)能耗單元的工作狀態(tài)能耗分析模型。（3-1）式中的持續(xù)時間主要是根據(jù)第二章所建的能耗模型中，將其細分為多個時段，現(xiàn)將其匯總成順序流得到如下結果，如式（3-2）所示。（3-2）式中，E(1)、E(2)、E(3)和E(4)分別表示桌面級3D打印機整個流程系統(tǒng)Oj中的前期準備、加工預熱、打印執(zhí)行和保溫降溫狀態(tài)下的能耗；t1、t2、t3和t4分別表示這些狀態(tài)下所持續(xù)的時間；Pdesign(t)為操作人員在對CAD模型進行設計的時候所消耗功率的時間函數(shù)；Ptransform1(t)為操作人員在對三維模型轉為STL格式文件時所消耗功率的時間函數(shù)；Ptransform2(t)為操作人員在對圖形切片處理轉為G代碼時所消耗功率的時間函數(shù)；Ptransfer(t)為G代碼轉入到核心控制器Atmege128單片機時所消耗功率的時間函數(shù)；Pcontrol(t)為打印機在打印的時候，核心控制器在控制機械系統(tǒng)時所消耗功率的時間函數(shù)；Pmachine1(t)為X軸步進電機所消耗功率的時間函數(shù)；Pmachine2(t)為Y軸步進電機所消耗功率的時間函數(shù)；Pmachine3(t)為Z軸步進電機所消耗功率的時間函數(shù)；Pextrusion(t)為擠出頭電機所消耗功率的時間函數(shù)；Pdissipation(t)為打印噴頭降溫時所需的風扇所消耗功率的時間函數(shù)；Pheat1(t)為擠出頭加熱器所消耗功率的時間函數(shù)；Pheat2(t)為熱床在整個打印機打印過程中所消耗功率的時間函數(shù)。當關聯(lián)桌面級3D打印機系統(tǒng)的能量消耗單元的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)時，公式（3-1）和涉及的參數(shù)分別與BPMN模型中的工作狀態(tài)有關。計算桌面級3D打印機系統(tǒng)能耗單元工作狀態(tài)能耗。同時，相對于其他時變能耗單元，因為其在不同狀態(tài)下的能耗可能會有所不同，并且可以根據(jù)其具體能耗特性的分析進行相關性分析。因此，本文將這些能耗方程作為BPMN的數(shù)據(jù)對象，通過數(shù)據(jù)關聯(lián)與能耗單元的運行狀態(tài)相聯(lián)系。圖3.1和圖3.2顯示了數(shù)據(jù)對象和數(shù)據(jù)關聯(lián)。（2）能耗單元耦合關系的能耗數(shù)據(jù)關聯(lián)。相應于能耗單元的作用，當（3-2）和非時變能耗單元的BPMN流程模型和時變能耗單元的BPMN過程模型相結合時，桌面級3D打印機的分析可以確定桌面級3D打印機能耗單元耦合關系的時序關系。以能耗單元的并行關系為例，假設狀態(tài)2的開始時間為，該事件同時對應著能耗單元1、2和3的工作狀態(tài)2的開始時間，關系式為，在全部能耗單元狀態(tài)2已經執(zhí)行之后進人狀態(tài)3，并且狀態(tài)2的結束時間可表示成。類似的，對于能量消耗單元的互斥、包含和其他耦合關系，它們的時序關系可以分別建立，如表3.2中的時序描述一欄所示。綜上所述，在能耗單元數(shù)據(jù)關聯(lián)中，對能耗單元工作狀態(tài)能耗數(shù)據(jù)以及能耗單元工作狀態(tài)的時序關聯(lián)單獨建立。在實際應用中，可以通過編寫程序來調用和計算數(shù)據(jù)和公式，以實現(xiàn)桌面級3D打印機的多源動態(tài)能量計算。3.3桌面級3D打印機多源動態(tài)能耗BPMN模型構建將桌面級3D打印機的分別作為業(yè)務流程的“參與者”進行打印過程分別列在BPMN模型的不同池中。桌面級3D打印機打印能耗單元在3D打印機池中以不同的方式列出。根據(jù)等式（3-1）和式（3-2）中描述的過程來確定能耗單元的狀態(tài)執(zhí)行流程和耦合關系。在BPMN模型中，將它們分別由順序流及消息流表示。當桌面級3D打印機正在打印時，根據(jù)切片分層軟件的處理后，根據(jù)打印的G代碼執(zhí)行整個打印過程。所以，在打印的整個過程之中，熱床、擠壓頭加熱器、擠壓頭電機以及XYZ軸步進電機等只需按照G代碼的命令來執(zhí)行即可。因此，整個桌面級3D打印機的能耗單元的執(zhí)行順序和耦合關系基本相同。本文將打印流程設置為一組BPMN，并且在每個組中具有結構類似的BPMN模型。根據(jù)能耗單元的能耗計算模型和耦合關系的時間序列模型，確定它們之間的相關數(shù)據(jù)。在BPMN模型中，數(shù)據(jù)對象和數(shù)據(jù)關聯(lián)符號用于每個能源消耗單元的狀態(tài)流程。為了簡化BPMN模型的復雜性，打印流程中每個能耗單元的數(shù)據(jù)關聯(lián)僅在打印流程組中標記。同時，將能耗單元的工作狀態(tài)和時間事件在BPMN模型中用文本注釋和關聯(lián)標記，以提高模型的可讀性。通過以上的介紹和分析建立了關系式之后，建立了如下圖3.3所示的桌面級3D打印機打印流程的多源動態(tài)能耗BPMN模型。圖3.3桌面級3D打印機BPMN能耗模型3.4本章小結本章在介紹BPMN規(guī)范以及能耗單元BPMN流程后，針對桌面級3D打印機的整個工藝流程對其工作狀態(tài)中的各個組成部分進行了能耗數(shù)據(jù)進行關聯(lián)，并對其不同步驟以及工作狀態(tài)的能耗分析模型進行了整理，建立了打印流程狀態(tài)能耗分析模型以及時序關系的表達式。通過對打印流程中的時序關聯(lián)以及能耗單元的關聯(lián)，建立了桌面級3D打印機BPMN能耗模型。該模型可以使讀者更加直觀的了解整個桌面級3D打印機在工作時的整個流程以及各個能耗單元部分之間的時序關系。同時，通過對桌面級3D打印機的工藝過程進行梳理后，能很好的為第四章的優(yōu)化方法進行梳理，通過整理整個打印流程，能夠使優(yōu)化環(huán)節(jié)及對象更為直觀。

第4章熔融沉積3D打印工藝過程能耗多目標優(yōu)化模型建立通過第二章對熔融沉積3D打印機部件的能耗分析，以及第三章對熔融沉積3D打印機能耗關系的耦合和時序關系的分析。本章將根據(jù)熔融沉積3D打印機的工藝特點，對其工藝過程中的打印效率、打印質量和打印能耗進行多目標優(yōu)化。主要通過構建數(shù)學優(yōu)化模型并結合計算機技術解決該問題，整個過程包括：優(yōu)化參數(shù)、優(yōu)化目標以及約束條件，從而建立起熔融沉積3D打印工藝過程能耗多目標優(yōu)化模型。4.1優(yōu)化參數(shù)的確定第二章中分析了影響3D打印工藝過程能耗的因素主要來自三個方面，分別為控制系統(tǒng)、機械系統(tǒng)和輔助加工系統(tǒng)，并討論了這些因素是如何對3D打印工藝過程能耗產生影響的。在這些因素中，控制系統(tǒng)為3D打印過程提供了一個數(shù)據(jù)源，該過程基于制造零件的整個過程，并且是過程中最關鍵的一步。因此，如何減小前期數(shù)據(jù)處理給3D打印過程能耗的影響是至關重要。在前期數(shù)據(jù)處理中，可以通過提供更高精度的參數(shù)來減小這種影響，從而可以有效地減少STL文件的模型失真程度。在分層處理中，存在影響3D打印過程能量消耗的內部因素和外部因素。內部因素主要是分層軟件本身的算法，即軟件如何處理和計算每一層的輪廓數(shù)據(jù)。其對整個路徑行駛所消耗的能耗起到了至關重要的因素。在外部因素中，成型方向和分層厚度作為3D打印中兩個重要的參數(shù)，合理的選擇成型方向和分層厚度，能夠在最大程度削弱“階梯效應”的同時，能夠盡可能的減少所要消耗的電能。上述降低3D打印過程能耗的因素可以通過某種方式進行修正，以達到令人滿意的程序效果。具體而言們可以通過打印機的調整裝置調整打印機參數(shù)帶來的影響，達到最滿意的成型效果。粘合劑的飽和程度可以通過調整噴頭的一些參數(shù)來控制噴涂粘合劑的體積。材料本身的特性可以通過實驗來確定，并且可以確定合適的材料以獲得滿意的結果。除此之外，在整個桌面級3D打印機打印過程中，其輔助加工系統(tǒng)中的熱床，在預熱和保溫的過程中所消耗的電能也是非常巨大的，為了保證打印件質量的前提下，對其進行合理的優(yōu)化是很有必要的，例如，從其預熱的設定溫度，以及保持這段溫度的時長。綜上所述，在眾多影響3D打印工藝過程能耗的因素中，優(yōu)先考慮來自前期數(shù)據(jù)處理以及熱床溫度的控制帶來的影響，并以分層厚度、材料使用量和熱床的設定溫度以及保持這段溫度的時間為優(yōu)化參數(shù)，達到3D打印過程能耗的優(yōu)化目的。4.2優(yōu)化的基本準則研究表明，3D打印的成型質量、成型效率和成型能耗在很大程度上受成型方向、分層厚度和熱床準備時間的影響。目前，在使用3D打印技術及其成型系統(tǒng)時，通常需要工程技術人員來選擇部件的成型方向、分層厚度和熱床準備時間。顯然，這種選擇方法由于其較強的主觀性而受到限制。對于形狀和結構簡單的零件，該選擇方法具有一定的可行性。但是，對于形狀和結構更復雜的零件，僅憑經驗確定合適的成型方向、分層厚度和熱床準備時間是很困難的。因此，對待不同的加工制件，采取何種方式，必須得有更加科學的準則。（1）成型效率準則作為快速成型技術，3D打印技術消除了從整個產品零件到整個上市周期的模具要求。這大大縮短了產品的上市時間，不僅提高了生產效率，而且降低了成本。然而，從單一部件的實際成型過程來看，其成型效率仍然非常低，遠低于傳統(tǒng)工藝成型效率。使用3D打印技術來制造零件可能需要幾十分鐘甚至更長的時間才能形成簡單的零件。基于原因在于3D打印時基于逐層打印獲得的層輪廓信息，并且總的成型時間是每層打印時間的總和。因此，成型效率主要取決于最終部件的成型方向和分層厚度。選擇合適的成型方向和分層厚度可以使層數(shù)和各層的成型時間最小化，從而減少部件成型所需的總時間并提高成型效率。但是，在滿足上述標準后，出現(xiàn)了一個任何企業(yè)都會關注的問題：質量。成型方向和分層厚度的變化將導致零件分層時得到的二維橫截面數(shù)量的變化，這又會導致成型質量的變化。因此，從整體角度考慮成型效率，成型質量也是一個不可忽視的標準。（2）成型質量準則從3D打印原理出發(fā)，將三維模型首先轉化為一個模型，其中由三角形貼片組成的自由曲面近似于真實模型的表面。然后，在分層處理后，獲得模型的二維橫截面的輪廓信息，最后基于該信息打印出部件。從微觀角度來看，最終的模型表面會顯示出與梯形類似的形狀。從宏觀角度來看，零件的形狀和預先設計的零件會有一定的差異，即零件與零件之間會存在一定的尺寸和形狀誤差。臺階表面的形成和誤差的存在會嚴重影響零件的成型質量。理論上，合理選擇成型方向和分層厚度可以使這個誤差最小化。由此制造出的零件質量更好，最能反映零件的特性。同樣的，滿足了上述的準則后，整體的打印效率會不斷降低，其次，打印工藝過程中的能耗無形之中也在不斷增加。（3）成型能耗準則伴隨著增材制造的不斷深入，綠色節(jié)能的生產理念也不斷沖擊著研究人員的心里，如何在生產制造的時候更綠色更節(jié)能？這個問題也在不斷深入研究。在3D打印機在打印制件的時候，其z方向的位移量主要根初始設定的打印方向相關，相對而言，確定打印方向后，z方向上位移所消耗的能耗值是固定的。而xoy平面上的所需的位移量總和在打印方向確定的條件下，主要跟分層厚度相關，增加分層厚度，相應的打印能耗也會隨之降低，同樣的，減少分層厚度，相應的就會增加打印能耗。打印能耗除了跟打印方向和分層厚度相關意外，還和打印前熱床所需準備的時長相關?？傊鶕?jù)以上的三個準則，成型質量、成型效率和成型能耗，我們需衡量三者的重要性之后。合理地選擇零件的成型方向、分層厚度和熱床準備時間，實現(xiàn)不同零件的成型方向、分層厚度和熱床準備時間的智能選擇。4.3目標模型建立在實際生產中，成型方向與分層厚度的選擇積累了一些經驗原則，但這些原則大都是依據(jù)經驗設定的，不是用更準確的數(shù)學公式來表達，目前的研究缺乏打印能耗的研究。因此，為了實現(xiàn)優(yōu)化目標，有必要在設計程序之前建立合適的數(shù)學模型，也就是說，用數(shù)學公式來表達這些經驗性原則，以便可以用計算機編程語言來表達。由前文分析可知，本文所述優(yōu)化對象為3D打印工藝過程能耗，針對這一目標，主要從以下幾方面進行優(yōu)化：打印時間、打印誤差、熱床設定溫度溫度。假設：在i層中，打印的層厚為h，總厚度為H，總層數(shù)為，打印噴頭在xoy平面上的速度為vp，打印噴頭上升的速度為va，打印噴頭的間距為f，熱床的設定溫度為Temp。（1）打印總時長T打印時間TP的函數(shù)表達式：對于某一層處理，打印噴嘴在xoy平面上以vp的速度和f的間距打印該層。首先計算出一層的打印時間，然后疊加以獲得總打印時間。若第層的面積為Si，則打印時間TP表示為（4-1）打印噴頭上升時間TA的函數(shù)表達：通常，3D打印噴頭在方向上執(zhí)行向上移動。由于打印噴頭每次上升的高度和速度都是恒定的，因此跟打印方向上的總高度成正比，則有（4-2）熱床準備時間TR的函數(shù)表達：一般而言，3D打印機打印時熱床準備的時間主要根據(jù)初始設定的熱床溫度根據(jù)反應時間來呈現(xiàn)的，由第二章的分析分析可知，整個熱床準備時間為th1，則有（4-3）結合（4-1）、（4-2）和（4-3）各部分的時間函數(shù)表達式，則打印件所需要的總時間為（4-4）分析公式（4-4）表明，對于某個STL模型，其體積V是恒定的。因此，第一項的打印時間TP僅與打印機的控制參數(shù)、和分層厚度有關。在式（4-4）的最后兩項中，H表示打印件的高度，H值與行進方向有很大關系。參數(shù)va和th2取決于打印機的控制參數(shù)。因此，表達式（4-4）之后的兩個數(shù)據(jù)大小取決于打印高度H和打印機控制參數(shù)th2?？傊?，打印花費的總時間不僅受打印高度H和分層厚度h的影響，還受打印機上的一些控制參數(shù)的影響。（2）打印誤差打印誤差的函數(shù)表達：假設在i層中，相交的三角面片j產生的體積誤差為。三角片面j與成型方向P=[xp,yp,zp]的角度是，并且三角面片j的法向矢量方向上的單位矢量是Ni。其中第i層與三角面片j相交，成型面積為dAij，其中l(wèi)ij為三角面片j上兩條相交線的中線。因此，由第i層和三角面片j形成的臺階的體積可以看作是Sij沿lij方向的積分。于是，打印誤差可表示為（4-5）其中，Aj是三角面片j的面積。假設（xja,yja,zja）,a=1,2,3;j=1,2,3...s是三角面片j的三個頂點的坐標，s為三角面片的數(shù)量，因此可得三角面片j的面積為（4-6）分析式（4-6）表明整個打印過程中的打印誤差主要與成型方向和分層厚度有關。因此，為了有效地減少打印誤差，需要適當?shù)膬?yōu)化成型方向和分層厚度之間的關系。（3）打印能耗E打印能耗E的函數(shù)表達式：對于要盡量保證打印件的打印質量，其熱床溫度的設定至關重要。與此同時，為了盡量減少能耗的消耗，設定合理的溫度Temp尤為突出。根據(jù)熱床的相關參數(shù)，其額定電壓U、電阻R、質量m以及其比熱容的數(shù)值cm相對而言是固定值，而變化的是相對于不同的熱床初始溫度Temporig而引起變化的熱床準備時間th2。根據(jù)以上參數(shù)，以及比熱容公式。據(jù)此，熱床設定溫度Temp可表示為（4-7）分析式（4-7）可知，整個打印機所設定的熱床溫度主要跟其準備時間相關。因此，為了有效的減少打印機在準備階段所消耗的能耗，適當?shù)脑O計打印機準備是很有必要的，一方面減少了整體打印的時間，另一方面有效的減少了整個打印能耗中的一部分。然而整個3D打印機在打印的過程當中，除了xyz軸的步進電機所消耗的電能較大以外，其次，熱床所消耗的電能相對占比也較為明顯。根據(jù)第二章中的描述定義可知，熱床在整個打印機打印過程中所消耗功率的時間函數(shù)為Pheat2，而整個打印機打印時長為T，xyz軸步進電機在整個打印機打印中所消耗功率的時間函數(shù)為Pmachine，因此，打印能耗E可表示為（4-8）為了能更好地研究分層厚度和熱床設定溫度對成型所需能量消耗的影響，應避免打印機的控制參數(shù)被摻雜影響最終結果。因此，可以考慮建立時間、能耗與成型方向、分層厚度和熱床設定溫度的一種更為簡易數(shù)學關系。假設等式（4-4）中的所有打印機的控制參數(shù)為常數(shù)，則式（4-1）、（4-2）、（4-3）和（4-7）簡化為（4-9）即打印時間TP與分層厚度成反比，并且打印噴嘴上升時間TA與模型在成型方向上的高度H成正比，熱床準備時間TR即為th2，為了更好地表示設定溫度和參數(shù)之間的關系，此處用Temp可以更好地表示其和準備時間th2之間的關系，即正比關系。假設，a=1,2,3；j=1,2,3...s為STL模型中三角形貼片三個頂點的坐標，s是三角形貼片的個數(shù)。將頂點與原點成型向量連接起來，成型方向的矢量為，然后可以用在向量P上投影Q來找到STL模型在成型方向上的高度。即為Q的最大值和最小值之差。令，則成型效率即成型時間T可以表示為（4-10）其中，max(Q)、min(Q)分別表示Q的最大值和最小值。因此，為了達到3D打印的效率更快，只需優(yōu)化公式（4-10），使T值最小，即最快的成型效率。4.4優(yōu)化模型的數(shù)學表達目前幾乎所有的3D打印工藝過程都可以在計算機的幫助下完成，但成型方向和分層厚度主要是由工程技術人員根據(jù)主觀經驗確定。對于曲面復雜的零件，難以判斷成型質量好，成型效率高的零件成行方向和分層厚度的組合；而且，即使根據(jù)部件的結構