CC BY
0
Машиностроение и машиноведение
О РАЗВИТИИ ТЕХНОЛОГИЙ 3D ПЕЧАТИ С ИЗБЫТОЧНЫМ
ЧИСЛОМ СТЕПЕНЕЙ ПОДВИЖНОСТИ ПЕЧАТНОЙ ГОЛОВКИ
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 обзор развития аддитивных технологий с использованием избыточной подвижности печатной головки принтера. Подвижность экструдера определяется характеристиками кинематической цепи механизма, обеспечивающего движение экструдера по заданной траектории. Использование избыточной подвижности печатной головки принтера позволяет ослабить ограничения в возможностях печати сложных пространственных объектов, а также повысить качество напечатанных изделий.
Ключевые слова: аддитивные технологии, механика, робот манипулятор, принтер.
Введение
В отличие от традиционных способов механической обработки конструкционных материалов, предполагающих удаление лишнего материала с заготовки, аддитивные технологии предполагают создание изделия методом последовательного наращивая необходимых слоев материала. Аддитивное производство позволяет изготавливать продукцию с минимальным количеством отходов. Также аддитивное производство позволяет изготавливать изделия сложной формы, которые крайне затруднительно и затратно изготавливать традиционными методами. При этом сама технология изготовления изделия может основываться как на послойном выращивании изделия с использованием расплавленной полимерной нити (FDM, FFF), так и с использованием спекаемого металлического или полимерного порошка (SLM, SLS), или с использованием стереолитографии (SLA). В настоящей статье подразумевается преимущественно FDM (FFF) печать с использованием полимерных материалов. Одним из направлений развития технологий SD-печати является увеличение числа степеней подвижности печатной головки, что улучшает качество печати изделий сложной формы.
Проблемы качества печати
В настоящем разделе будем полагать, что материал для печати, с учетом требований к эксплуатационным свойствам изделия, выбран корректно. Также будем полагать, что температурные режимы процесса печати соответствуют материалу печати и скорости движения печатной головки. То-
гда, среди основных проблем качества печатных изделий, полученных с использованием аддитивных технологий, можно выделить:
1) проблема прочности и деформации, связанная с анизотропной структурой полученного конструкционного материала и обусловленная особенностями технологического процесса печати;
2) проблема шероховатости и волнистости поверхности, обусловленная особенностями технологического процесса печати.
В качестве примера, описывающего проблему прочности и деформации печатного образца, можно привести экспериментальное исследование прочностных характеристик образцов с разным направлением укладки волокон печатного материала [1].
В качестве примера, описывающего проблему качества поверхности печатного образца, можно привести исследование перехода от декартовой системы координат к сферической в математической модели программного обеспечения слайсера [2]. Предложенный авторами метод обеспечивает отсутствие ступенчатых террас на внешнем печатном слое, характерных для послойной печати при изготовлении деталей сферической формы.
Существует множество способов, описанных преимущественно в зарубежной литературе, предлагающих решение обозначенных проблем с использованием различных подходов.
Проблемы выбора траектории движения печатной головки
Выбор траектории движения печатной головки в процессах аддитивного производства осуществляется с использованием специализированного программного обеспечения, называемого слайсером (англ. slice - «срез»). В числе входных данных для слайсера используется CAD модель объекта печати, которая с учетом прочих входных параметров преобразуется на выходе в определяющие или управляющие данные по формированию сло-ёв печати. Таким образом, в зависимости от режима формирования печатных слоев, заданных программным кодом слайсера, определяются эксплуатационные характеристики объекта печати. Под эксплуатационными характеристиками изделия здесь понимаются прочность на разрыв, прочность на изгиб, удельный вес изделия, и прочие, с учетом анизотропных свойств печатного материала. Иными словами, структура полученного конструкционного материала, то есть, направление и плотность укладки волокон расплавленной пластиковой нити, непосредственно определяется программно заданным законом движения печатной головки принтера.
Следует помнить, что для роботов с числом степеней подвижности рабочего инструмента меньшим, чем число степеней свободы твердого тела в пространстве, не всякое желаемое положение рабочего инструмента является достижимым. В представлении матрицы Якоби:
У =
Уи ■ ■■ Лп"
У21 ■ ■■ ]2п
У31 ■ ■■ ]3п
^41 ■ ■■ ]Ап
7*51 ■ ■■ ]Бп
-У 61 ■ ■■ ]бп-
6хп,п<6
!Уих11 + ■■■ + Утхп1 _ Уб1х11 + ■■■ + Убпхп1 = ^
(1)
п
которая является «высокой» матрицей, и может быть интерпретирована как левая часть переопределенной системы уравнений.
В свою очередь, для роботов с числом степеней подвижности рабочего инструмента большим, чем число степеней свободы твердого тела в пространстве, становится возможным оптимизировать закон движения кинематической цепи звеньев робота для достижения желаемого положения рабочего инструмента. В представлении матрицы Якоби:
У =
Уи 712 ■ ■■ Л(п- 1) Лп"
У21 У22 ■ ■■ ]2(п- 1) ]2п
У31 У32 ■ ■■ 1з(п- 1) ]3п
./41 ^42 ■ ■■ !А(П- 1) ]Ап
751 ^52 ■ ■■ 1Б(П- 1) ]Бп
Уб1 Уб2 ■ ■■ 1б(п- 1) 1вп-
6хп,п>6
^ <
(Уихи + ■■■ + Утхш _ У21х11 + ■■■ + Угпхп1 =
У51х11 + ■ +у 5пхп1 = Ь5 Уб1х11 + ■■■ + Убпхп1 =
(2)
которая является «широкой» матрицей, и может быть интерпретирована как левая часть неопределенной системы уравнений.
Для роботов с числом степеней подвижности рабочего инструмента равным числу степеней свободы твердого тела в пространстве, матрица Якоби является квадратной матрицей, и может быть интерпретирована как левая часть системы уравнений с единственным возможным решением.
Проблемы механики ЭБ-принтеров
Наиболее популярные модели ЭБ-принтеров строятся на основе портальных роботов, дельта-роботов, а также роботов-манипуляторов. Каждый тип используемого робота имеет свои преимущества и недостатки, обусловленные свойствами кинематики перечисленных типов механизмов. Описание сравнения сильных и слабых сторон указанных типов роботов в промышленных задачах и задачах ЭБ-печати производится в работе [Э].
Остановимся на более подробном рассмотрении механизмов подачи печатного материала ЭБ-принтеров, во многом определяющих качество печати изделия.
Наиболее распространенными являются схемы подачи полимерного печатного материала в виде нити. В таком случае, механизм подачи нити печатного материала состоит из барабана (катушки) с нитью, направляющего канала (полимерной трубки) и протяжного роликового механизма. Попадая в экструдер, нить печатного материала расплавляется нагревательным элементом, и расплавленный печатный материал выдавливается из сопла экс-трудера под давлением подаваемого нерасплавленного печатного материала.
Альтернативным способом подачи полимерного печатного материала может быть схема подачи, используемая в термопластавтоматах, когда материал подается в виде гранул. В таком случае, механизм подачи гранул печатного материала состоит из загрузочной воронки и шнекового механизма. Попадая в экструдер, гранулы печатного материала расплавляются нагревательным элементом, и расплавленный печатный материал выдавливается из сопла экструдера под давлением, создаваемым шнековым механизмом.
Подача печатного материала в гранулах может иметь значение в экономическом обосновании при промышленном использовании 3D принтера, поскольку стоимость печатного материала в виде нити превышает стоимость печатного материала в виде гранул на 200-300%.
Применительно к технологиям 3D-печати с избыточным числом степеней подвижности печатной головки следует отметить, что подача печатного материала в виде нити в меньшей степени ограничивает ориентацию экструдера в пространстве. Качество подачи печатного материала в таком случае не зависит от действия вектора силы тяжести на печатный материал до момента его расплавления. При использовании сыпучего печатного материала предпочтительным является ориентирование экструдера таким образом, чтобы материала из подающей воронки попадал на шнек под действием силы тяжести. Качество подачи печатного материала в таком случае в значительной степени зависит от действия вектора силы тяжести на печатный материал до момента его расплавления. Усложнение механизма подачи гранулированного печатного материала позволяет решить обозначенную проблему, однако, усложняет конструкцию и увеличивает стоимость 3D-принтера.
Разработка Университета Иннополис
Прототип 3D-принтера, разработанный в лаборатории робототехники Университета Иннополис, сочетает предложения по комплексному решению проблем технологий 3D-печати с избыточным числом степеней подвижности печатной головки, рис. 1.
Прототип построен на основе промышленного робота-манипулятора KUKA KR210 R2500 и оснащен шнековым экструдером F2 Pellet. Продуктом разработки лаборатории робототехники Университета Иннополис является специализированное программное обеспечение, позволяющее скоординировать работу отдельных узлов 3D-принтера. Использование промышленного робота-манипулятора в качестве основы принтера позволяет изменять ориентацию сопла экструдера в процессе подачи печатного материала, что позволяет в значительной мере уменьшить проблему шероховатости (ступенчатости) поверхности изделия. Заметим, что углы ориентации сопла экструдера при подаче печатного материала также ограничиваются фактором воздействия силы тяжести на расплавленный печатный материал.
Рисунок 1 - СЛО-модель и реальный прототип ЭБ-принтера с избыточным числом степеней подвижности печатной головки
Проблема оплывания и сползания слоев расплавленного печатного материала под действием силы тяжести при печати изделий сложной формы может частично решаться воздушным охлаждением печатного материала после выпуска из экструдера. Однако, в большинстве практических случаев для решения проблемы возможно выбрать иные алгоритмы для слай-синга, позволяющие избежать указанную проблему. Также, в большинстве практических задач ЭБ-печати возможно избежать относительно больших отклонений печатной головки от вертикальной ориентации, и, таким образом, избежать проблемы с подачей сыпучего материала печати.
Разработанное в лаборатории робототехники Университета Иннополис программное обеспечение ЭБ-принтера на основе промышленного робота-манипулятора KUKA KR210 R2500, оснащенного шнековым экструдером F2 Pellet, позволяет строить траекторию и обеспечивать температурный режим печати в оптимальном режиме. Разработанное интеллектуальное управление выбором и поддержанием температурного режима нагревательного элемента печатной головки позволяет избежать перегрева материала печати и оплывания напечатанных слоев. Используемые алгоритмы построения траектории, основанные на решении задач последовательного квадратичного программирования, обеспечивают ориентацию экструдера, не препятствующую подаче сыпучего материала из внешнего резервуара на шнековый механизм экструдера под действием силы тяжести при движении печатной головки по заданной траектории.
Образцы печати, выполненной с использованием прототипа 3D-принтера с избыточным числом степеней подвижности печатной головки под управлением созданного программного обеспечения, приводятся на рис. 2.
Рисунок 2 - Образцы печатных изделий и пример качества печати (масштабировано)
Выводы
В процессе разработки технологии 3Б-печати с избыточным числом степеней подвижности печатной головки построен прототип принтера, создано специализированное программное обеспечение, ориентированное на работу с сыпучим печатным материалом. Разработанное специализированное программное обеспечение обеспечивает высокое качество печати изделий сложной формы, эффективность ЭБ-принтера с избыточным числом степеней подвижности печатной головки подтверждена экспериментально в процессе изготовления печатных образцов.
1. Список литературы
2. Yao, Y., Zhang, Y., Aburaia, M., Lackner, M. 3D Printing of Objects with Continuous Spatial Paths by a Multi-Axis Robotic FFF Platform. Appl. Sci. 2021, 11, 4825. https://doi.org/10.3390/app11114825.
3. Yigit, I.E., Lazoglu, I. Spherical slicing method and its application on robotic additive manufacturing. Prog. Addit. Manuf. 5, 387-394 (2020). https://doi.org/10.1007/s40964-020-00135-5.
4. Zhan, S.; Guo, A.X.Y.; Cao, S.C.; Liu, N. 3D Printing Soft Matters and Applications: A Review. Int. J. Mol. Sci. 2022, 23, 3790. https://doi.org/10.3390/ijms23073790.
Marchuk Evgeniy Alexandrovich, post-graduate Idrisova Stanislava Marianovna, engineer (e-mail: marocci@bk.ru) Innopolis University, Innopolis, Russia
ON THE DEVELOPMENT OF TECHNOLOGIES OF 3D PRINTING WITH OVERACTUATED PRINT HEAD
Abstract. This article describes the features of the technologies of 3d-printing for printers with overactuated print head. Overactuated mechanism of a printer provides higher quality of printed objects, especially the spatial objects with irregular shapes. Keywords: additive manufacturing, mechanics, robot manipulator, printer.
