Исследователи предлагают использовать мониторинг на основе датчика веса для экструзионной аддитивной технологии

В новом исследовании описывается, как датчики веса могут контролировать экструзионную 3D-печать в режиме реального времени, что обещает более раннее обнаружение дефектов и сокращение количества бракованных изделий.

Мониторинг процесса стал обычным явлением в системах порошковой экструзии, однако экструзия материалов — в частности, послойное наплавление нитей (FFF) и прямая печать чернилами (DIW) — часто осуществляется с помощью камер, температурных датчиков или вообще без каких-либо средств.

Оптические системы могут выявлять образование нитей, расслоение слоев или деформацию, однако они усложняют освещение и увеличивают вычислительные затраты, а также испытывают трудности при работе в закрытых камерах. Тепловизионная съемка позволяет определить направление потока, но не всегда точно указывает на место возникновения ошибки. В статье предлагается считать, что сила является прямым признаком процесса экструзии и может быть измерена с помощью простых датчиков.

В экструзионном аддитивном производстве материал проталкивается через сопло под давлением, зависящим от вязкости расплава, скорости инструмента, геометрии траектории, высоты слоя и температуры. Изменения требуемой силы проталкивания или силы контакта в сопле коррелируют с недостаточной экструзией, переэкструзией, частичным засорением и потерей адгезии первого слоя. Измеряя эти силы, контроллер может выявлять нестабильные условия — возможно, вовремя, чтобы скорректировать скорость или температуру и спасти процесс изготовления.

Почему датчики силы/веса важны для экструзии материалов

Силу можно измерить несколькими способами. Наиболее прямой подход использует датчик нагрузки, расположенный на пути нити или под печатающей головкой, для измерения осевой силы или сопротивления сопла. Косвенный метод измеряет ток двигателя экструдера для оценки крутящего момента, который коррелирует с противодавлением. Оба метода генерируют высокочастотные сигналы, отражающие динамическое состояние расплава и границу раздела между соплом и деталью. Авторы рассматривают эти сигналы как недорогой, не зависящий от материала способ мониторинга потока без прямой видимости.

По сравнению с камерами, датчики силы компактны, недороги и легко интегрируются в закрытые или высокотемпературные системы. Они по своей природе не зависят от освещения, что полезно для принтеров, герметично закрытых для работы в контролируемых камерах. Для экструзии деионизированной воды и пасты, где оптические сигналы незначительны, сигналы силы могут быть еще более информативными, поскольку давление в шприце и сила контакта сопла быстро изменяются при небольших изменениях реологии.

В статье обобщается, как сигналы силы соотносятся с состояниями процесса, и демонстрируется, что характерные особенности — уровень силы в установившемся режиме, короткие пики и дрейф на низких частотах — соответствуют распространенным неисправностям, таким как засорение сопла, проскальзывание материала и неравномерный контакт слоев. Хотя полные наборы данных и пороговые значения не приводятся подробно в информации на уровне аннотации, авторы позиционируют силу как основную переменную процесса, которая может использоваться для управления в замкнутом контуре, а не просто для постфактумных проверок качества.

Практический подход прост: измерение силы или тока с частотой в несколько сотен герц, фильтрация шума, извлечение признаков в окнах, выровненных по сегментам траектории инструмента, и сравнение с базовой моделью, обученной для каждого материала и размера сопла. В принципе, это можно интегрировать в существующие программные стеки, такие как Marlin или Klipper, или запускать на контроллере ребра вместе со слайсером для динамической регулировки подачи, температуры или ускорения. В статье не указана дата выпуска программного обеспечения или эталонный проект, а влияние на производительность не количественно оценено.

Внедрение будет зависеть от повторяемости и калибровки. Сигналы силы зависят от овальности нити, температуры расплава, износа сопла и даже плотности намотки катушки, поэтому, вероятно, потребуется процедура калибровки для каждого материала. Многокомпонентные инструменты, абразивные композиты и высокопроизводительные нагревательные элементы будут создавать различные сигналы, что увеличит сложность модели. Мониторинг силы также испытывает трудности с пространственной локализацией дефектов в пределах области построения — он знает, что что-то не так, но не может точно определить место, если не использует контекст траектории движения инструмента.

Даже с учетом этих ограничений, экономическая целесообразность остается высокой. Простой датчик нагрузки или датчик тока двигателя стоят гораздо меньше, чем комплект машинного зрения, а сокращение количества ложных срабатываний, засоров и проблем с адгезией может повысить производительность как для лабораторий прототипирования и предприятий по печати, так и для настольных пользователей. Для печати методом DIW в медицинской, пищевой или электронной промышленности, где стабильность результатов имеет первостепенное значение, сигналы тревоги, основанные на силе, могут стать стандартной системой защиты.

На что следует обратить внимание отрасли в дальнейшем? Общедоступные наборы данных, стандартизированные тестовые детали и сравнительные тесты для различных материалов помогут подтвердить универсальность и снизить количество ложных срабатываний. Интеграция с OEM-производителями также имеет значение — крепление датчика, простой мастер калибровки и инструменты для нарезки моделей превратят это из исследования в повседневный инструмент. Высокоскоростные экструдеры, распространенные на современных XY-принтерах, станут серьезным испытанием, как и закрытые высокотемпературные камеры, где вязкость изменяется в зависимости от дрейфа параметров камеры.

Если камеры покажут, что произошло, сила может объяснить, почему это происходит, — и это тот рычаг, который необходим для управления с обратной связью.

Кстати, датчик веса сейчас уже используется qidi q2 в качестве датчик для выравнивания сопла, пере первой печатью, а также в других принтерах, но в другом виде.

источник

По вопросам 3d печати, 3d сканированию, обучению в Краснодаре писать сюда:

телеграм — https://t.me/fidller

max — https://max.ru/u/f9LHodD0cOIGiBB1zqbYHFbw7XCslKRI5o6aikK4IGNDZtFio4aCgGJ1gUQ

почта — shope@fidller.com

все о кино тут — https://news.fidller.com
наш магазин — https://fidller.com
мы в телеграм — https://t.me/fidller_com
группа 3д печати — https://vk.com/3d_krd_123
https://t.me/pechat3dkrd