Применение вихретокового метода контроля в контуре управления температурой процесса трехмерной печати

Авторы

  • Пермский национальный исследовательский <br /> политехнический университет, Пермь
  • Пермский национальный исследовательский <br /> политехнический университет, Пермь
  • Пермский национальный исследовательский <br /> политехнический университет, Пермь

DOI:

https://doi.org/10.22213/2410-9304-2020-3-110-117

Ключевые слова:

FFF, FDM, 3D-печать, индукционный нагрев, вихретоковый контроль, контур управления, регулирование, ПИД, имитационная модель, передаточная функция

Аннотация

Данная статья посвящена трехмерной печати по технологии FFF/FDM. Большинство существующих на рынке FDM 3D-принтеров используют косвенный резистивный метод нагрева сопла и стандартные термоэлектрические методы контроля температуры, что обусловливает высокую тепловую инерционность системы нагрева и невозможность обеспечения достаточной скорости и точности контроля температуры. Невозможность управления температурой сопла в процессе печати приводит к непостоянному качеству межслоевого спекания и неоднородности внутреннего объема напечатанных изделий. Для минимизации или устранения перечисленных недостатков предлагается индукционная система нагрева сопла минимальной тепловой массы. При этом для контроля температуры сопла предлагается резонансный (вихретоковый) метод. Высокие скоростные и мощностные характеристики предлагаемой системы делают актуальной задачу разработки контура управления температурой сопла.

В модуле Simulink пакета Matlab была разработана имитационная модель контура управления температурой сопла. Определены передаточные функции индукционной системы нагрева сопла и цепи обратной связи.

Были определены коэффициенты ПИД-регулятора и его период дискретизации, обеспечивающие нулевую статическую ошибку, величину перерегулирования в 1 %, что позволяет избежать перегрева материала в процессе экструзии. Достигнуто время выхода системы на установившийся режим в 1 с, что удовлетворяет требованиям скоростного нагрева и охлаждения сопла в процессе печати. Получены хорошие запасы устойчивости системы по фазе и амплитуде.

Предложена реализация описанной системы и подход к ее применению в процессе трехмерной печати с использованием платы контроллера DuetWifi. Создан испытательный стенд и проведены эксперименты, подтверждающие высокие скоростные и точностные характеристики разработанного метода контроля и управления температурой сопла в процессе трехмерной печати.

Библиографические ссылки

ASTM F2792-12A, Standard Terminology for Additive Manufacturing Technologies. ASTM International, West Conshohocken, PA, 2012.

Srinivasulu Reddy K., Dufera S. Additive manufacturing technologies // International Journal of Management, Information Technology and Engineering (BEST: IJMITE) ISSN (P): 2348-0513, ISSN (E): 2454-471X, Vol. 4, Issue 7, Jul 2016, 89-112.

Tan W.S. Application of induction heating to 3D print low melting point metal alloy: Final Project Summary Report 2015, UNSW@ADFA. 2015, pp. 1-13.

Bauer U., Bandiera N.G., Sachs E.M. Induction heating systems and techniques for fused filament metal fabrication: Patent 0118252 USA. 2019.

Pilavdzie J.I., Buren S.V., Kagan V.G. Apparatus for inductive and resistive heating of an object: Patent 7041944 USA. 2006.

Hemang J., Manish A. Induction Heating Based 3D Metal Printing of Eutectic Alloy Using Vibrating Nozzle // Advances in Additive Manufacturing, Modeling Systems and 3D Prototyping. 2020, pp. 71-80.

Elserman M., Versteegh J.A., Zalm E. Inductive nozzle heating assembly: Patent 0094726 USA. 2017.

Van Pelt W. Method and printer head for 3D printing of glass: Patent 3042751 Europe. 2016.

Stirling R.L., Chilson L., English A. Inductively heated extruder heater: Patent 9596720 USA. 2017.

Индукционный нагрев сегментированной токопроводящей жилы силового кабеля на этапе его изготовлении / А. К. Шидловский [и др.] // Техническая электродинамика. 2009. № 1. С. 53–60.

Магнитные свойства вещества. М. : Московский физико-технический институт, 2007. 29 с.

Bolat D.E. Implementation of Matlab-SIMULINK based real time temperature control for set point changes [J]. International Journal of Circuits, Systems and Signal Processing, 2007, 1(1): 54–61.

Федин М. А. Выбор принципа регулирования и разработка системы управления индукционных тигельных печей с проводящим тиглем // Актуальные проблемы энергосберегающих электротехнологий АПЭЭТ-2014 : сборник научных трудов. Екатеринбург : [УрФУ], 2014. С. 135–140.

Митяков Ф. Е., Горячих Е. В. Системы управления печей сопротивления с нагревателями из тугоплавких металлов // Актуальные проблемы энергосберегающих электротехнологий АПЭЭТ-2014 : сборник научных трудов. Екатеринбург : [УрФУ], 2014. С. 88–93.

Цифровой термометр [Электронный источник]. URL: https://www.uni-trend.com/html/product/

Environmental/Environmental_Tester/UT320_Contact_

Type/UT325.html (дата обращения: 23.05.2018).

Опубликован

2020-11-17

Выпуск

Раздел

Статьи