CC BY
0
О КОРРЕКЦИИ ТЕМПЕРАТУРНЫХ РЕЖИМОВ ПЕЧАТНОЙ ГОЛОВКИ 3D ПРИНТЕРА С ИЗБЫТОЧНЫМ ЧИСЛОМ СТЕПЕНЕЙ ПОДВИЖНОСТИ
Марчук Евгений Александрович, аспирант, м.н.с.
Идрисова Станислава Марияновна, инженер e-mail: marocci@bk.ru Центр технологий компонентов робототехники и мехатроники Университет Иннополис, г.Иннополис, Россия
В данной статье приводится способ решения проблемы поддержания необходимого температурного режима нагревательных элементов экс-трудера Sd-принтера. Проблема решается с использованием интеллектуального управления на принципах нечеткой логики. Экспериментальное подтверждение эффективности использования аппарата нечеткой логики в задачах терморегулирования режимов экструдера приводится с использованием прототипа Sd-принтера с избыточным числом степеней подвижности печатной головки.
Ключевые слова: аддитивные технологии, нечеткая логика, робот манипулятор, принтер.
Введение
Одной из задач при разработке ЭБ-принтеров является обеспечение корректно спроектированного автоматического управления поддержания необходимого температурного режима нагревательных элементов экструдера. Охлаждение полимерных материалов в аддитивных технологиях в условиях стационарного теплообмена рассматривается, к примеру, в работе [1]. Рассмотренный пример демонстрирует относительно простую модель теплопереноса, которая адекватна для частного случая, описанного авторами. В общем случае управление процессами теплопереноса является нетривиальной задачей. Следует заметить, что в некоторых относительно простых моделях ЭБ-принтеров регулирование температурных режимов нагревателей печатной головки обеспечивается ПИД-управлением с использованием показаний термодатчиков. ПИД-управление является наиболее распространенным видом автоматического управления в промышленной технике, и в большинстве практических задач обеспечивают достаточное качество автоматического управления. Однако, при усложнении модели объекта управления качество ПИД-управления может значительно ухудшаться. В настоящей модели с учетом дополнительно воздействующих факторов принято использовать интеллектуальное управление, построенное на принципах нечеткой логики.
Отдельно следует выделить проблему принудительного охлаждения выпущенного из экструдера материала, например, при печати без поддержки, когда возможно провисание или оплывание слоя печати под собственным весом материала. Используемая в прототипе, разработанном в лаборатории
робототехники Университета Иннополис, модель экструдера F2 Pellet имеет функцию принудительного воздушного охлаждения выпущенного из сопла материала, однако, разработка и оптимизация автоматического управления этого процесса видится задачей для последующих этапов проводимой научно-исследовательской и опытно-конструкторской работы.
Прототип промышленного 3D-принтера с избыточным числом степеней подвижности печатной головки, разработанный в лаборатории робототехники Университета Иннополис, построен на основе промышленного робота-манипулятора KUKA KR210 R2500 и оснащен шнековым экструдером F2 Pellet, рис. 1. Дальнейшие упоминания в настоящей статье 3D-принтера с избыточным числом степеней подвижности печатной головки относятся к указанному прототипу.
Рисунок 1 - Прототип 3D-принтера с избыточным числом степеней подвижности печатной головки и жидкостным охлаждением экструдера
Проблемы качества подачи печатного материала
При условии технически исправного подающего тракта, для FDM (FFF) принтеров проблемы качества подачи полимерного печатного материала заключаются главным образом в перегреве экструдера и преждевременном расплавлении полимера. Преждевременное расплавление полимера сильно ухудшает качество подачи печатного материала, вплоть до полного засорения подающего сопла и прекращения печати. Процесс нарушения подачи печатного материала вследствие преждевременного расплавления для нитевидного и гранулированного сырья имеет некоторые отличия.
Так, при подаче печатного материала в виде нити, в случае преждевременного расплавления участок нити, выполняющий роль штока, продавливающего расплавленный материал через сопло экструдера, размягчается, и качество подачи сильно ухудшается.
При подаче материала в виде гранул в случае преждевременного расплавления гранулы налипают на шнек, и вместо продвижения к соплу экс-трудера вязкий расплавленный материал вращается вместе со шнеком, качество подачи при этом также сильно ухудшается.
Поскольку в данной статье решение задачи коррекции температурных режимов печатной головки ЭБ-принтера с избыточным числом степеней подвижности печатной головки рассматривается на примере робота-манипулятора со шнековым экструдером, рассмотрим детально проблемы температурного режима подачи гранулированного материала.
Модель экструдера типа термопластавтомат с избыточным числом степеней подвижности
Рассмотрим модель экструдера типа термопластавтомат, предназначенного для работы с гранулированным полимерным материалом. Помимо обозначенной выше проблемы преждевременного расплавления полимера, которая может проявляться у всех FDM (FFF) принтеров, для принтера с избыточным числом степеней подвижности печатной головки также может появляться проблема недостаточной подачи сыпучего материала на шнек при изменении ориентации экструдера. Технический рисунок с описанием экструдера приводится на рис. 2.
H
. . пи . .
га
к
щямеские соединители' \ Ф/кши загрцзкипштжа'
Рисунок 2 - Шнековый экструдер F2 Pellet, используемый в модели прототипа ЗБ-принтера с избыточным числом степеней подвижности печатной головки
Количество выделяющейся тепловой энергии может быть описано уравнением:
Q = рУплсМ (1)
где р - плотность материала печати, Упл - объем подаваемого материала, с - теплоемкость материала, Д£ - изменение температуры.
При определении мощности теплового потока отдаваемого с поверхности материала, необходимо учитывать как конвективный, так и лучистый теплообмен:
Qo = Qл + Qк (2)
Мощность теплового потока излучения Qл, рассчитывается в соответствии с законом Стефана-Больцмана:
«л = (3)
где £ - степень черноты поверхности тела, С0 - коэффициент излучения абсолютно черного тела, F - площадь зоны охлаждения, Тт и Тс - средние абсолютные температуры поверхности тела и окружающей среды соответственно.
При расчете мощности конвективного теплового потока применяется уравнение Ньютона-Рихмана:
Qk = акF(fm - У (4)
где ак - коэффициент теплоотдачи конвекцией.
Расчеты геометрических параметров шнекового механизма блока экструзии производятся по формуле:
D = 0,275----(5)
E*n*ty*p*R
где D - диаметр винта шнека, Q - расчетная производительность, Е - отношение шага винта к диаметру винта, п - частота вращения винта, р -плотность подаваемого материала, R - коэффициент производительности, ^ - коэффициент заполнения.
Мотор электропривода шнекового механизма выбирается в соответствии с расчетной мощностью:
N = ^(L*4±H) + 0.02*5 *m*L* С (6)
где N - мощность на валу винта, L - горизонтальная проекция длины винта, А - табличный коэффициент сопротивления перемещению материала, Н - высота подачи (знак выбирается в зависимости от направления подачи материала: вверх или вниз), В - табличный коэффициент (перемещения винта), m - удельная масса подвижных частей механизма, С - коэффициент сопротивления движению вращающихся частей [2].
Представленные выше модели теплообмена для печатного материала и производительности для шнекового механизма включаются в компьютерную модель при моделировании автоматического управления коррекцией температурных режимов печатной головки ЭБ-принтера с избыточным числом степеней подвижности.
Выбор модели автоматического управления
Наиболее популярными для использования в промышленном оборудовании являются схемы, построенные на принципах ПИД-управления. Они обладают простотой исполнения, их математический аппарат хорошо проработан, ПИД-управление считается классическим методом автоматического управления. Однако, ПИД-регуляторы допускают обработку только одного входного сигнала (SISO), что не всегда обеспечивает удовлетворительное качество управления. В качестве альтернативных методов автоматического управления, допускающих обработку нескольких входных сигналов, можно предложить линейно-квадратичное регулирование и интеллектуальное управление. В настоящей работе предлагается использовать интеллектуальное управление, построенное на принципах нечеткой логики.
Задача автоматического управления температурным режимом экструде-ра для ЗБ-принтера с избыточным числом степеней подвижности печатной головки для может быть сформулирована следующим образом: поддержание заданного значения температуры нагревательного элемента в зависимости от скорости движения и ориентации экструдера.
Выбор нечеткого управления обосновывается тем, что на вход регулятора подается несколько входных сигналов, помимо фактического значения температуры нагревательного элемента, также выводящих значение скорости движения и углы ориентации экструдера. Создание и линеаризация точной модели теплопереноса с учетом скорости движения и угла наклона экструдера представляется труднореализуемой задачей, поэтому при выборе между моделями линейно-квадратичного и интеллектуального регулятора предпочтение было отдано нечеткому регулятору Мамдани.
Компьютерное моделирование
Нечеткая модель регулятора строится на основе экспертной базы знаний с использованием нечеткого вывода Мамдани. На вход регулятора подаются сигналы, которые преобразуются в нечеткие функции принадлежности к множествам значения температуры, скорости и угла наклона экстру-дера. Оптимизация полученного нечеткого регулятора производится с использованием генетических алгоритмов. Окончательный вариант регулятора, обеспечивающий стабильную работу и высокое качество управляющего сигнала используется при экспериментальной проверке на прототипе.
temp
vel
out_signal
ямшм
Е<= 5: >;::; Е - ^=£ i -'Е-:;
100
200
ang temp
Рисунок 3 - Компьютерная модель нечеткого регулятора Мамдани
Эксперимент с использованием прототипа
Эксперимент проводился с использованием специализированного программного обеспечения, обеспечивающего управление прототипом, построенным на основе промышленного робота-манипулятора KUKA KR210 R2500 и оснащенным шнековым экструдером F2 Pellet.
В ходе эксперимента осуществлялось перемещение печатной головки ЗБ-принтера в соответствии с программно заданным законом движения. В процессе перемещения экструдера плавно изменялись углы наклона печатной головки, а также скорость перемещения экструдера, и, соответственно, частота вращения вала шнека подающего механизма. В результате эксперимента на прототипе проверено и подтверждено качество управления
разработанного нечеткого регулятора. Экспериментальная установка и печатный продукт, полученный в ходе эксперимента, представлены на рис. 4.
Рисунок 4 - Эксперимент с использованием прототипа 3Б-принтера с избыточным числом степеней подвижности печатной головки и жидкостным
охлаждением экструдера
Выводы
В процессе разработки 3Б-принтера с избыточным числом степеней подвижности печатной головки может выявляться проблема качества подачи гранулированного печатного материала, связанная с преждевременным плавлением материала в шнековой камере. В настоящей статье предложено решение проблемы преждевременного плавления печатного материала посредством интеллектуального управления температурным режимом нагревательных элементов экструдера. Разработанная компьютерная модель интеллектуального регулятора с использованием нечеткой логики успешно испытана на прототипе 3Б-принтера с избыточным числом степеней подвижности печатной головки. Список литературы
1. Дрюков В.В., Котов А. А., Кузьменков С.М. Охлаждение полимерных материалов в аддитивных технологиях в условиях стационарного теплообмена // Вестник ВГТУ. 2019. №2 (37). https://doi.org/10.24411/2079-7958-2019-13704
2. Сарилов М.Ю., Шатохин В.И. Расчет шнековых механизмов. - Комсомольск-на-Амуре: ФГБОУ ВПО «КнАГТУ». 2015.
Marchuk Evgeniy Alexandrovich, post-graduate Idrisova Stanislava Marianovna, engineer (e-mail: marocci@bk.ru) Innopolis University, Innopolis, Russia
ON THE CORRECTION OF TEMPERATURE OF EXTRUDER OF 3D PRINTING ROBOT WITH OVERACTUATED PRINT HEAD
Abstract. This article describes the features of temperature regulation of extruder for 3d-printers with overactuated print head. The problem can be solved with methods of intelligent control. Fuzzy regulator is used to increase the quality of 3d-printing. The effectiveness of the proposed method has been proved with experiment. Keywords: additive manufacturing, mechanics, fuzzy logic, printer.
