CC BY
4
ИЗМЕРЕНИЕ ВЛАЖНОСТИ ФИЛАМЕНТА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИМ МЕТОДОМ А.В. Руденко, магистрант
Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова (Россия, г. Барнаул)
DOI:10.24412/2500-1000-2024-5-4-58-60
Аннотация. В статье рассматривается метод контроля влажности филамента, применяемого в SD-печати, основанный на использовании ёмкостного датчика с кварцевым генератором. Этот подход позволяет не разрушать филамент и получать точные и оперативно контролировать содержание влаги в материале, что имеет решающее значение для повышения качества и надежности SD-печати. Также в данной статье рассматриваются недостатки использования стандартных влагомеров для экспресс-анализа влажности филамента. Представлен альтернативный метод измерения влажности филамента, освещены его преимущества и возможные варианты реализации.
Ключевые слова: филамент, гигроскопичность, влажность, датчик, генератор Кол-питца.
Для получения высококачественных изделий в 3D-печати первостепенное значение имеет качество филамента. Один из ключевых параметров, влияющих на качество, - это влажность. Популярные материалы для филамента, такие как PLA, ABS, PETG и нейлон [1], гигроскопичны, то есть способны поглощать влагу из окружающей среды [2]. Для большинства филаментов рекомендуемая влажность ниже 10%. Влажность выше 15% может приводить к ряду проблем [3], включая:
1) Дефекты печати: пузырьки, деформации, низкая прочность, расслоение слоев, неровности поверхности, изменение диаметра и цвета модели;
2) Проблемы с оборудованием: засорение сопла, заваривание материала, скручивание филамента.
Чтобы избежать проблем, связанных с влагой, перед печатью важно оценить влажность филамента. Это позволяет принять решение о необходимости сушки материала или изменение параметров 3D-печати. Сушка филамента перед каждой печатью, без предварительной проверки, может привести к неоправданным затратам времени и ресурсов.
Существующие анализаторы влажности (влагомеры) (производителей A&D, Kett, Sartorius) предназначены для экспресс-анализа влажности продукции, как в лабораториях, так и на производстве, но они не
всегда подходят для филамента из-за его термической чувствительности, филамен-ты для 3D-печати, филамент имеет относительно невысокую температуру расплавления - обычно в диапазоне от 50 до 100 °С. Влагомеры работают при высоких температурах (от 50 до 600 °С), которые могут расплавить или деформировать филамент. Сушка при низких температурах занимает много времени, что делает процесс неэффективным, так как за то же время можно высушить всю катушку фила-мента без необходимости проведения измерений влажности.
Для решения этой проблемы предлагается использовать диэлектрический метод [4] вместе с измерительной схемой на основе кварцевого генератора [5].
Преимущества данного метода:
1) Неразрушающий контроль: Метод не повреждает филамент и позволяет проводить измерения многократно;
2) Оперативность: Измерение частоты генератора является быстрым процессом, что позволяет непрерывно контролировать влажность филамента.
3) Низкая стоимость: Датчик и компоненты схемы доступны и недороги.
Датчик представляет собой конденсатор с параллельными пластинами [6], между которыми проходит филамент (рис. 1). Изменение диэлектрической проницаемости материала в зависимости от влажности
влияет на ёмкость датчика, что, в свою нератора. очередь, изменяет частоту кварцевого ге-
Рис. 1. Датчик для измерения влажности филамента
В основе измерительной схемы лежит генератор Колпитца (рис. 2), поскольку он сочетает в себе следующие преимущества: высокую стабильность частоты, низкое энергопотребление, возможность генерации высокочастотных колебаний, что подходит для генерации высокочастотных ко-
лебаний. Кварцевый резонатор обеспечивает стабильность частоты, а LC-контур позволяет ее настроить [7]. Замена конденсатора в LC-контуре на датчик влажности филамента позволяет отслеживать изменения частоты в зависимости от влажности материала.
Рис. 2. Схема генератора Колпитца
Генератор Колпитца генерирует синусоидальный сигнал, который несет информацию о влажности филамента через изменение своей частоты. Для его считывания можно использовать микроконтроллер в режиме аналого-цифрового преобразования (АЦП) или в режиме измерения частоты (тактирования). Каждый из этих режимов имеет свои особенности и преимущества.
Для измерения влажности филамента предлагается несколько вариантов:
1) Полное протягивание филамента через датчик: Этот метод позволяет получить
наиболее точную оценку влажности по всей длине материала, но измерение влажности может занимать длительное время в зависимости от длинны филамента.
2) Измерение влажности начального участка филамента: Данный метод, несмотря на свою практичность и скорость оценки, имеет существенный недостаток. Неизмеренный участок филамента может содержать участки с повышенной влажностью, способные привести к дефектам печати.
3) Интеграция датчика непосредственно перед экструдером: Этот метод обеспечи-
вает непрерывный мониторинг состояния После проведения серии экспериментов
филамента, позволяя максимально точно по измерению влажности образцов нейло-отслеживать уровень его влажности в про- на с влажностью 0%, 50% и 100% было цессе печати. Благодаря этому, становится установлено, что диэлектрический метод с возможным выявлять участки модели, где измерительной схемой на генераторе Кол-влажность материала может негативно по- питца обладает хорошей чувствительно-влиять на качество печати, и анализиро- стью к изменениям влажности филамента вать критичность её влияния в каждом и демонстрирует хорошую повторяемость конкретном случае, или динамический из- результатов, что делает его подходящим менять параметры печати для минимиза- для использования в системах контроля ции влияния влажности на данном участ- влажности филамента для 3D-печати. ке.
Библиографический список
1. Доступная 3D печать для науки, образования и устойчивого развития // Международный центр теоретической физикиАбдус Салам - МЦТФ. 2013.
2. Шкуро, А.Е. Технологии и материалы 3D-печати. - Екатеринбург: Урал. гос. лесо-техн. ун-т. 2017.
3. Козлов Н. А. Митрофанов А. Д. Физика полимеров. - М., 2001.
4. Берлинер М.А. Измерения влажности. - М.: «Энергия», 1973.
5. Зикий А.Н., Полмазанов А.В. Устройства телекоммуникационных систем. Кварцевые генераторы. - Таганрог: Изд-во Южного федерального университета, 2018.
6. Сташков М.А. Электрический конденсатор. Полная описательная теория принципа работы. - 2016. - [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://russkaja-fizika.ru/sites/default/files/book/elektricheskiy_kondensator.pdf
7. Гусев В.Н. Электрические конденсаторы постоянной емкости. - Москва: Советское радио, 1968.
MEASUREMENT OF FILAMENT HUMIDITY BY DIELECTRIC METHOD A.V. Rudenko, Graduate Student
Altai State Technical University named after I.I. Polzunova (Russia, Barnaul)
Abstract. In the article, the filament moisture control method used in 3D printing is based on the use of a capacitive sensor with a quartz oscillator. This approach allows you to avoid damaging the filament, but to achieve precise and on-the-fly control of the moisture content of the material, which is critical to improving the quality and reliability of 3D printing. This article also describes the disadvantages of using standard moisture meters for express analysis of thread moisture. The presented alternative method for measuring filament moisture provides its advantages and possible implementation options.
Keywords: filament, hygroscopicity, humidity, sensor, Colpitts generator.
