CC BY
13
УДК 004.032; 658.562
АПРОБАЦИЯ МЕТОДИКИ РОБАСТНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ НАЛАДКИ НА ОПЕРАЦИИ ПОСЛОЙНОЙ
УКЛАДКИ РАСПЛАВЛЕННОЙ ПОЛИМЕРНОЙ НИТИ
И.В. Русских, А.С. Русских, Д.В. Ермилина
Предложен подход к наладке SD-принтера на изготовление детали «ось» с применением многофакторного эксперимента, который используется в методологии робастного проектирования для подбора наилучших режимных и конструктивных параметров создаваемых систем и технологий. По результатам многофакторного эксперимента предложено оптимальное сочетание факторов процесса наладки, обеспечивающее стабильное качество изготавливаемого изделия.
Ключевые слова: робастное проектирование, многофакторный эксперимент, наладка, управляемые факторы, дестабилизирующие факторы, SD-печать, ортогональная матрица, планирование эксперимента.
Процедура робастного проектирования помогает сделать процесс производства изделия устойчивым по качеству. Данная устойчивость достигается путем робастности функциональных параметров процесса.
Робастность представляет собой свойство статистического метода, характеризующее независимость влияния на результат измерения различного рода выбросов (которые в методологии называются шумами), устойчивость к помехам. Ученые по всему миру уделяют внимание данному вопросу [1-9].
Целью робастного метода является выявление шумовых факторов, снижение их влияния или исключение их из выборки.
В данной работе мы рассмотрим применение методологии робаст-ного проектирования на примере операции послойной укладки расплавленной полимерной нити для формирования детали «ось» на 3D-принтере.
Преимущества 3D-печати в сравнении с традиционными технологиями производства очевидны и включают в себя: снижение скорости изготовления детали; производство за один установ; более низкую стоимость производства, при условии небольших объемов; минимизацию рисков; отсутствие ограничений на изготовление деталей сложной формы; доступность и повторное использование материалов для 3D-печати после переработки.
Объектом исследования является один из самых популярных и доступных 3D-принтеров Anet A8, конструкция которого представлен на рис. 1.
В рамках многофакторного эксперимента будем рассматривать изготовление детали «ось», которая совместно с деталью «кронштейн» образует изделие «шарнир» (рис. 2).
1-СВ ДИСПЛЕИ
Направляющая оси г
Мсгтср оси X
Сопло
Главная плата
падагрминыД стол
бентилптор
Ель* питании Мотор ми Т
Мотор оси 7.
Рис. 1. Конструкция ЗИ-принтера Ап& А8
1
2
Рис. 2. Рассматриваемое изделие: 1- кронштейн; 2 - ось; 3 - шарнир
3
Шарнир - распространенный тип соединения, обеспечивающий вращение одной детали относительно другой, применяется во многих изделиях, которые используются в разных областях промышленности и человеческого быта. В рассматриваемом шарнире ось должна быть неподвижно закреплена в кронштейне. Это обеспечивается посадкой оси в кронштейн с гарантированным натягом Н8/и8. Таким образом, главным критерием качества детали «ось» является ее диаметр, который должен быть мм.
Изначально параметры технологического процесса на изготовление детали «ось» были подобраны методом проб и ошибок и включали в себя:
высоту слоя - 0,2 мм; температуру экструдера - 215 °с; скорость печати - 40 мм/с; температуру стола - 60 °с.
При существующей схеме наладки оценим результаты выходных характеристик изготовленных деталей (рис. 3).
Histogram
00 со г- см
о> О О
о> о" о" о
Bins
Рис. 3. Гистограмма распределения до эксперимента
От качества изготовления детали «ось» зависит качество изделия «шарнир» в целом. Поэтому важно произвести качественную наладку и выбрать оптимальное сочетание факторов, влияющих на интересующий нас размер - диаметр детали «ось».
В результате проведения многофакторного эксперимента мы сможем найти оптимальное сочетание факторов для настройки 3ё-печати изделия наилучшего качества, исключим изготовление бракованных изделий.
Для поиска оптимального сочетания факторов необходимо запланировать и провести многофакторный эксперимент. Для этого необходимо осуществить следующие этапы:
1. Изучить процесс. Необходимо выявить все факторы, непосредственно влияющие на уровень сигнала, изменение которых снижает или увеличивает его величину (управляющие факторы). К ним относятся высота слоя, температура экструдера, скорость печати и температура рабочего стола принтера.
Скорость печати внешних слоев или контура. Основной параметр скорости, влияющий на качество получаемого готового изделия.
Высота слоя - один из самых важных параметров, влияющих на качество печати. При его установке необходимо ориентироваться на геометрию печатаемой модели и время, за которое планируется напечатать готовое изделие. Чем меньше значение параметра высоты слоя, тем дольше идет печать и тем качественнее получается деталь. Главное правило при выставлении этого параметра: он не может превышать толщину используемого сопла (желательно ставить не больше % от этой толщины).
Стол принтера имеет возможность нагрева для лучшей адгезии первого слоя детали с поверхностью стола. Неверный выбор температуры стола приводит либо к незакреплению детали на столе и невозможности печати, либо к деформации нескольких начальных слоев.
К дестабилизирующим факторам, которые включают в себя допуски на номинальные величины управляющих параметров или другие факторы, влияющие на качество, но не поддающиеся регулированию, в нашем
случае относится фактор колебание температуры экструдера и стола. Сигналом является выходной параметр измерения - диаметр детали «ось».
2. Разделить факторы на уровни, что помогает устранить размерность факторов.
Реализация этапов 1 и 2 представлена в табл. 1.
Таблица 1
Факторы и уровни эксперимента_
Управляемые факторы Уровень
Обозначение фактора Наименование фактора Единица измерения 1 2 3
А Высота слоя Мм 0,1 0,2 0,3
В Температура экструдера °с 200 215 230
С Скорость печати Мм/с 40 80 120
Б Температура стола °с 50 70 80
Дестабилизирующие факторы Уровень
Обозначение фактора Наименование фактора Единица измерения 1 2
Е Колебание температуры экструдера °с 0 - 5
Г Колебание температуры стола °с 0 - 5
0 Наличие сквозняка - Есть Нет
3. Осуществить подбор ортогональной матрицы для планирования и проведения экспериментов.
4. Провести эксперимент и проанализировать полученные результаты.
Критерий сигнал/шум определяется по формуле:
—2
С / Ш = 101е(—), Б
где — - среднее значение выходной характеристики (сигнала) в выборке; Б - дисперсия.
Дисперсия определяется по формуле:
п
Б = ЛI(У* - — )2,
п -11=1
где у* - численное значение выходной характеристики в выборке; п - число изделий в выборке.
Реализация этапов 3-4 представлена в табл. 2.
Таким образом, по результатам проведенных опытов, согласно матрице планирования и проведения эксперимента, выявили, что наибольшая величина отношения сигнал/шум наблюдается в первом прогоне и составляет 69,1. Данный факт позволяет нам сделать вывод, что самым устойчивым к внешним воздействиям сочетанием параметров проектирования является следующий набор:
высота слоя - 0,1 мм; температура экструдера - 200 °с; скорость печати - 40 мм/с; температура стола - 50 °с.
Таблица 2
Ортогональная матрица для планирования и проведения эксперимента
Внешняя матрица
Внутренняя матрица
Прогон
A
B
C
D
Выходные данные
Отклик
Среднее
Отношение сигнал/шум
10,04
10,04
10,04
10,04
10,04
10,04
10,03
10,04
10,04
69,1
10,05
10,04
10,03
10,05
10,04
10,05
10,04
10,05
10,04
62,6
10,03
9,9
10,05
10,05
10,12
10,03
10,01
10,03
10,04
47,9
10,06
10,03
10,08
10,04
10,02
10,00
10,02
10,04
10,04
52,1
10,04
10,07
10,05
10,09
10,03
10,06
10,05
10,02
10,05
53,1
10,02
10,07
10,03
10,08
10,07
10,04
10,08
10,07
10,06
52,5
10,01
10,03
10,08
9,99
10,05
10,06
10,10
10,07
10,05
48,7
10,04
10,10
10,05
10,06
10,09
10,10
10,09
10,03
10,07
51,0
10,03
10,05
10,02
10,03
10,00
10,01
10,06
10,11
10,04
49,2
1
2
3
4
5
6
7
8
1
1
1
1
2
2
2
2
1
1
2
2
1
1
2
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
2
2
2
3
3
3
3
4
2
2
3
5
2
2
3
1
6
2
3
2
7
3
3
2
8
3
2
3
9
3
3
2
1
Проверим на практике правильность подобранных параметров технологического процесса, для этого изготовим выборку деталей количеством 10 штук и построим гистограмму распределения (рис. 4 б).
Проанализируем гистограммы распределения, построенные в рамках текущего технологического процесса и гистограмму, полученную по результатам реализации методологии робастного проектирования (рис. 4).
Histogram Histogram
а б
Рис. 4. Гистограмма распределения: а - до проведения эксперимента;
б - после проведения эксперимента
Таким образом, делаем вывод, что в результате проведенного эксперимента нам удалось значительно улучшить качество производимого изделия «ось», увеличилось количество деталей, находящихся в поле допуска: до эксперимента - 40% деталей выборки, после эксперимента - 80% деталей выборки.
Список литературы
1. Басовский Л.В., Протасьев В.Б. управление качеством. М., 2012.
253 с.
2. Управление качеством. Робастное проектирование. Метод тагути. М.: «Сейфи», 2002. 384 с.
3. Ермилина Д.В., Казандаева С.Н., Сергиенко А.О., Русских И.В. Инжиниринг качества в концептуальном проектировании 3Б-принтера // Известия Тульского государственного университета, 2020, Вып. 5. С. 269 -281.
4. Анцева Н.В., Витчук Н.А. Обоснование комбинации методов управления качеством для совершенствования производственных процессов изготовления машиностроительной продукции по критерию «сигнал/шум» // Интеренет-журнал «Науковедение». Том 8. №6 (2016).
5. Koroishi, Edson & Lara Molina, Fabian & Borges, Adriano & Steffen, Jr, Valder. Robust control in rotating machinery using linear matrix inequalities. Journal of vibration and control. 2015. 22. DOI: 10.1177/1077546314565686.
6. Kobayashi, Takahisa & Arakawa, Masao. Robust design for robustness of design variables. 2017. P. 979-983. DOI: 10.1109/icma.2017.8015949.
7. Дмитриев А.Я., Вашуков Ю.А., Митрошкина Т.А. Робастное проектирование и технологическая подготовка производства изделий авиационной техники: учебное пособие. Самара: Изд-во Сгау, 2016. 76 с.
8. Dmitriev A.Ya., Mitroshkina T.A. The ontological model and hybrid expert system for products and processes quality identification involving the approach based on system analysis quality function deployment. Itm web of conferences 6. 2016. P. 02005. DOI: 10.1051/itmconf/20160602005.
9. Russkih I.V. Improving the process of setting-up the extrusion line based on a systematic approach. Iop conference series: materials science and engineering. Volume 666. P. 012047.
Русских Ирина Вячеславовна, аспирант, samoilova56irina@mail. ru, Россия, Самара, Самарский университет,
Русских Антон Сергеевич, аспирант, toher007@mail.ru, Россия, Самара, Самарский университет,
Ермилина Дарья Владиславовна, студент, dar.yermilina@gmail.com, Россия, Самара, Самарский университет
APPROBATION OF THE ROBUST DESIGN METHODOLOGY OF SETTING-UP PARAMETERS FOR OPERATION LAYER-BY-LAYER LAYING OF MOLTEN POLYMER
THREAD
I.V. Russkikh, A.S. Russkikh, D.V. Yermilina
The article offers an approach to setting up a 3D printer for manufacturing the «axis» part using а тиШ^Мог expaetment, which is used in the robust design methodology to select the best operating and design parameters of the created systems and technologies.
236
Based on the results of a multi-factor experiment, an optimal combination of factors of the adjustment process is proposed, which ensures stable quality of the manufactured product.
Key words: robust design, multi-factor experiment, setting-up, controlled factors, destabilizing factors, 3D printing, orthogonal matrix, design of experiment.
Russkikh Irina Vyacheslavovna, postgraduate, samoilova56irina@mail. ru, Russia, Samara, Samara University,
Russkikh Anton Sergeevich, postgraduate, toher00 7@,mail. ru, Russia, Samara, Samara University,
Yermilina Daria Vladislavovna, student, dar.yermilina@,gmail. com, Russia, Samara, Samara University
