摘要
功能梯度材料作为一种可定制结构与功能的新型非均质材料在宇航工程、电子
光学、能源工程、化学工程、生物工程等领域应用广泛。制备功能梯度材料的传统
方法众多且各有优缺点，增材制造技术（3D打印技术）因具有制备能力强，灵活性
高，可用材料多等特点而成为功能梯度材料制备方法的研究热点。微流挤出工艺作
为3D打印技术的一种，可以简单的方式实现对功能梯度材料组分及结构的控制，尤
其适用于打印基于浆料的梯度材料。目前，在使用微流挤出工艺打印功能梯度材料
的过程中，仍然存在压力不稳定导致梯度材料打印质量差、组分变化不精准，电机
运动策略不匹配影响打印控制过程等问题。本文基于微流挤出成形原理，设计了微
流挤出功能梯度材料三维打印机控制系统，并对打印机空间运动策略进行了优化，
重点研究了微流挤出功能梯度材料三维打印机的压力稳定控制策略，提出模糊神经
网络PID压力稳定控制策略与功能梯度材料组分转换压力稳定控制策略。
本文主要研究工作如下：
（1）以微流挤出成形工艺制备功能梯度材料的作业流程及控制目标为基础，构
建以运动控制、压力稳定控制为核心的三维打印机控制系统整体结构。对控制系统
软件模块的组成与功能进行设计，选择控制系统硬件型号。校核打印机机械进给机
构的精度及负载能力并分析功能梯度材料成形数据流程。
（2）针对功能梯度材料三维打印机作业时的运动控制问题，提出新的S形加减
速算法、组分转换与路径变化自适应运动控制算法予以解决。新S形算法为后续压
力稳定控制策略的实现提供运动算法基础，针对梯度材料挤出丝波浪状缺陷及拐点
过渡效果差的问题，设计由圆弧衔接算法与部分混合加速过渡算法构成的组分转换
与路径变化自适应运动控制算法加以解决，并设计坯体打印实验验证该算法的控制
效果。
（3）针对微流挤出工艺中料筒挤料时的压力不稳定问题，提出模糊神经网络
PID压力稳定控制策略，实现浆料的稳定挤出。归纳已有的微流挤出工艺压力稳定控
制策略优缺点，设计模糊PID控制器为基础，结合神经网络传播速度快等优点，构
建六层神经网络，提出模糊神经网络PID压力稳定控制策略，通过搭建仿真模型及
设计打印实验，验证所提策略相较于其他策略的优越性。
（4）针对功能梯度材料组分大跨度转换时产生的压力问题，提出功能梯度材料
组分转换压力稳定控制策略，保证梯度材料制件的制备质量及组分精准转换。通过
I
理论分析与实验验证，证明在功能梯度材料制备过程中，可使用模糊神经网络PID
压力稳定控制策略对三维打印机每个料筒的浆料挤出过程进行独立控制，且总体压
力控制效果良好。针对功能梯度材料组分大跨度转换时压力超调叠加所导致的首条
丝不能均匀变化、组分转换不精准等问题，以模糊神经网络PID压力稳定控制策略
为基础，结合压力分级调节的方法，提出功能梯度材料组分转换压力稳定控制策略
加以解决，并以样件打印实验证明该策略的有效性。
关键词：功能梯度材料；微流挤出成形；三维打印机；压力稳定控制策略；电
机运动控制策略
II
ABSTRACT
Functionallygradedmaterials(FGMs)arewidelyusedinaerospaceengineering,
electron-optics,energyengineering,chemicalengineering,bioengineeringandotherfields
asanewtypeofnon-homogeneousmaterialwithfeaturesofstructureandfunction
customization.TherearemanytraditionalmethodsforthepreparationofFGMswhich
havetheirownadvantagesanddisadvantages,a