Саратовский государственный технический университет им. Гагарина Ю.А.
Управление приводом электротехнологической СВЧ установки с 3D принтером
Кожевников В.Ю., Машков И.В.
Аннотации
В статье рассмотрены вопросы практической реализации управления приводом электротехнологической СВЧ установки с 3D принтером.
Ключевые слова: 3Д печать, СВЧ диэлектрический нагрев, термообработка, червячный привод
In the article questions of practical realization of drive control of electrotechnical microwave installation with 3D printer are considered.
Keywords: 3D printing, microwave dielectric heating, heat treatment, worm drive.
Основное содержание исследования
Аппараты трехмерной печати получили самое широкое распространение во многих профессиональных областях.3D принтеры полностью изменили представление о многих технологических процессах и существенно облегчили работу современных специалистов, предоставив им поистине колоссальные возможности для реализации своих идей. Несмотря на то, что предпосылки создания 3D принтера появились в далеком 1984 году, когда была запатентована технология стереолитографии, даже в начале 2000-х годов это оборудование все еще считалось экзотикой. В современных 3D принтерах применяется две основные технологии печати - струйная и лазерная, которые также разделяются на отдельные виды, в зависимости от материла, используемого для печати изделий. В качестве материалов в 3D-принтерах, и как следствие, для создания конечного объекта, могут выступать: фотополимерная смола, порошок, силикон, металл, воск, фотополимер и различные виды пластика.
Принцип работы 3D принтеров заключается в лазерной печати или спекании, послойном плавлении поступающего пластика либо ламинировании, плавлении порошка или полимеризации фотополимерного пластика под действием лазера, послойном склеивании пленок рабочего материала или вакуумной электронно-лучевой плавки порошка.
В электротехнологической СВЧ установке с 3D принтером большинство элементов привода имеют аналогию с классическими 3D принтерами. Общая компоновка довольно сложна, имеются шаговые двигатели, отвечающие за все перемещения: экструдера в горизонтальной плоскости, рабочего стола в вертикальной, скоростью подачи материала. Главным отличием является СВЧ излучатель и относящийся к нему источник питания [1].
Состав системы управления
Электротехнологическая СВЧ установка с 3D принтером создаёт трехмерные объекты путем послойного нанесения материала и нагрева его до его отвердевания с помощью СВЧ излучения. Установка (рис.1) состоит из перемещающегося по оси Х рабочего стола, экструдера, перемещающегося по направляющим вдоль оси Y. Рабочий стол, перемещаясь по оси Х может находиться в 2 областях: область нанесения материала и область СВЧ обработки. Для изготовления первого слоя материал поступает из экструдера в полужидком состоянии и выдавливается в виде нити через сопло с отверстием малого диаметра, оседая на поверхности балластной нагрузки (Al2O3) которая находится на поверхности рабочего стола.
Рис.1. Схематически вид проектируемой установки, вид сверху: 1 - область СВЧ обработки; 2 - рабочий стол; 3 - экструдер; 4 - направляющая перемещения по оси Х; 5 - направляющая перемещения по оси Y; 6 - Шаговые двигатели; 7 - область формирования модели
Равномерное поступление материала из экструдера осуществляет шаговый двигатель, который находится в экструдере. Экструдер перемещается в горизонтальной плоскости и постепенно "рисует" нужный слой - контуры и заполнение между ними. За перемещение экструдера в горизонтальной плоскости, параллельно рабочему столу отвечают шаговые двигатели. После нанесения первого слоя рабочий стол перемещается из рабочей области в область СВЧ обработки, и включается СВЧ установка, которая нагревает материал. Материал нагревается до неполного отвердевания, так как необходимо, чтобы слои соединялись с друг другом. После нагрева материала СВЧ установка отключается, рабочий стол с помощью шагового двигателя опускается вниз на расстояние, равное толщине слоя и возвращается в область нанесения материала для формирования следующего слоя. Экструдер возвращается в рабочую область для нанесения следующего слоя. Цикл повторяется до завершения последнего слоя, после чего СВЧ установка включается на более продолжительное время, до полного отвердевания объекта.
Для создания трёхмерного объекта в первую очередь, в программе для 3D-моделирования создается цифровая версия будущего объекта.
Рис.2. Схема подключения устройств к микроконтроллеру
Затем модель обрабатывается специальной программой ("слайсер" или "генератор G-кода"). В качестве генератора G-кода была выбрана программа ReplicatorG 0.4, так как она поддерживает наш тип микроконтроллера ArduinoMega 2560; Исходный объект “разрезается” на тонкие горизонтальные слои и преобразуется в цифровой код, понятный микроконтроллеру. Иными словами, слайсер создает набор команд для микроконтроллера привода 3D принтера, который определяет, на какое время нужно включать шаговые двигатели для передвижения экструдера над рабочей областью, подачи расходуемого материала, подъёма рабочего стола.
Для конструирования действующей модели привода 3D принтера были необходимы следующие компоненты:
1) плата микроконтроллера ArduinoMega 2560;
2) платформа RAMPS 1.4для ArduinoMega 2560с радиатором;
3) плата-контроллер шагового двигателя A4988;
4) шаговый двигатель 42BYGHW811 стандарта NEMA17;
5) блок питания ATX DNS FinePower DNP-400 350W.
Тестирование шагового двигателя
Для тестирования шагового двигателя была собрана модель, состоящая из следующих элементов: плата микроконтроллера ArduinoMega 2560, платформа RAMPS 1.4, модуль драйвера шаговых двигателей A4988, блок питания ATX DNS FinePower DNP-400, шаговый двигатель 17HS8401 стандарта NEMA17. Соединение платы микроконтроллера ArduinoMega 2560 с платформой RAMPS 1.4 для ArduinoMega 2560, реализуется посредством вставных контактов, и показано на рисунке 10.
Процедура подключения элементов управления шаговым двигателем.
1) платформа RAMPS 1.4для ArduinoMega 2560 контактами, расположенными в нижней части платы, вставляется в колодки, расположенные в верхней части платы микроконтроллера ArduinoMega 2560.
2) Плата-контроллер шагового двигателя A4988 вставляется контактами, расположенными в нижней части платы, в колодки платформы RAMPS 1.4для ArduinoMega 2560, расположенных в верхней части платы, обозначенные "YAxis" (Рис.3 №5).
3) На блоке питания ATX DNS FinePower DNP-400 все провода, кроме 2 чёрных и 2 жёлтых, собираются в пучёк, затянутый стяжкой, так так они не понадобятся.2 чёрных и 2 жёлтых провода обрезаются на одинаковом расстоянии от блока, порядка 30см, зачищаются на концах на 1,5 см. Провода вставляются в зажимные контакты платформы RAMPS 1.4для ArduinoMega 2560 следующим образом: чёрные провода вставляются в зажимные контакты, обозначенные знаком "-", жёлтые провода вставляются в зажимные контакты, обозначенные знаком "+".
4) Концы выходящих проводов в шаговом двигателе 42BYGHW811 зачищаются на 1см, затем вставляются в одиночные контакты для колодок и припаиваются к ним. Контакты вставляются в колодки в следующем порядке: красный, синий, зелёный, чёрный. Собранная колодка вставляется в разъём платформы RAMPS 1.4, обозначенный "YAxis". Крайний красный провод должен располагаться слева, при расположении платформы RAMPS 1.4 лицевой стороной к установщику.
Подбор экструдера для установки
Выбор экструдера является очень сложной задачей, так как от него зависят множество характеристик изготовляемого объекта, такие как разрешение печати, скорость печати, выбор материала печати и многие другие.
Для проектируемой установки возможно применение экструдеров нескольких типов: типов: поршневого, с заменяемой тубой, с перистальтическим насосом, шнекового типа.
Рассмотрим работу перистальтического насоса. Перистальтический насос, также называемый шланговым, представляет собой насос объемного действия, в котором перемещение жидкости происходит за счет ее перистальтического продавливания по проточной части насоса - эластичному шлангу или трубке. Термин “перистальтика” используется в биологии для обозначения волнообразного сокращения стенок трубчатых органов, таких как кишечник, благодаря чему в них происходит перемещение содержимого. В случае трубчатых насосов перистальтика обеспечивается не сокращением мышц, а механическим давлением на шланг. Широкое распространение трубчатые насосы получили в середине прошлого века, уверенно заняв свою нишу среди гидравлических машин других типов.
Рис.3. Перистальтический насос
Ограничивающими факторами для перистальтических насосов являются повышенная температура и давление. Оба фактора связаны с материалами, используемыми для изготовления гибких элементов насосов. Обычно на допустимый уровень давления устанавливается ограничение в 0,7-1,6 мПа. Но в случае малогабаритного исполнения максимальное давление падает до 0,3-0,5мПа.
Рис.4. Экструдер поршневого типа 1 - Направляющее сопло 2 - поршень 3 - направляющая 4 - двигатель.
Для экструдера поршневого типа подходят более вязкие материалы, требующие более сильного давления. Экструдер (рис.4) состоит из цилиндрического резервуара с материалом, поршня, передачи, двигателя и поршня, и формирующего сопла [3]. В качестве материала используют силикон, шоколад, керамику.
Одним из вариантов исполнения экструдера может быть шнековая подача в сочетании с подачей сжатого воздуха. Наиболее удачным решением является насос Муано, героторный насос, применяемый в электронной промышленности, в составе экструдера, подающего паяльную пасту. Его главной отличительной особенностью является винтовой ротор эксцентрично крутящийся в неподвижном винтовом статоре. Главным преимуществом является точно контролируемая подача вязких материалов. Но для подачи материала к насосу необходимо внешнее давление, которым является сжатый воздух.
Рис.5. Насос Муано
В настоящее время для создания рабочей модели электротехнологической СВЧ установки с 3D принтером необходима разработка нескольких макетов с различными конфигурациями. К ним относятся как разные типы используемых экструдеров, так и разные компоновки основных элементов, для поиска наиболее эргономичного и эффективного решения.
Рассмотрим выбор основных элементов шнекового типа.
Проектный расчёт червячного пресса ведется в два этапа. Главная цель первого этапа - выбор геометрических параметров червяка и диапазона частоты его вращения в соответствии с заданной производительностью [2]. Для выдавливания полимерной глины, задаемся значением среднего градиента скорости сдвига г = 30 с-1.
привод управление принтер микроконтроллер
Рис.6. Номограмма для предварительного определения диаметра червяка: 1 - тихоходные червяки; 2 - быстроходные червяки
Определяем значение параметра , где G - производительность экструдера, кг/ч; сТ - плотность полимерной глины, кг/м3. Параметр равен м3. По рассчитанному значению v/y из номограммы (см. рис.6) определяем ориентировочный диаметр червяка для тихоходной машины D = 30 мм.
Глубину нарезки червяка в зоне дозирования найдем по формуле, где V - объемная производительность, м3/с. В итоге получаем h3=3,510-3 м.
При определении общего сопротивления головки, учитывая сложную конфигурацию её рабочей части, используют способ замены реальных каналов моделями, имеющими простейшую конфигурацию, поддающуюся аналитическому описанию.
При таком подходе общее сопротивление формующей головки [2]:
(1)
Полагая движение материала в головке ламинарным, принимают
(2)
где µэ - эффективная вязкость материала при градиенте скорости гi в данном канале, Па?с; V - расход материала через рассматриваемую модель канала, м3/с; Кi - коэффициент геометрической формы модели канала, м3.
Для каналов произвольного постоянного сечения:
K = f 3 / (2lП2); г = 2VП / f 2, (3)
где f - площадь сечения канала, м2; l - длина канала, м; П - смоченный периметр канала, м (эскиз профиля).
Расчетные выражения К и г отображены в таблице 1.
Таблица 1 - Расчётные выражения для разных форм канала.
|
Вид канала |
Расчётная схема канала |
Кi, м3 |
г, с-1 |
|
|
Круглый цилиндрический |
||||
|
Круглый конический |
Продольный разрез рассматриваемого канала изображён на рис.7
Рис.7. Разрез головки экструдера.
Для расчёта сопротивления канал головки разбиваем на отдельные мелкие участки. При выбранном типе головки экструдера К = 0,0339 м3, г = Расчет сопротивления головки проводим при значении производительности G = 0,8 кг/ч.
; (4)
Соответственно для G = 0,8 кг/ч имеем V = 0,014?10-5 м3/с, градиент скорости г = 0,039 Потери давления на участке головки экструдера при расходе V рассчитываем по формуле:
; (5)
где V - расход расплава через рассматриваемую модель канала, м3/с; эффективная вязкость расплава при градиенте скорости V = 0,74?10 с-1; К - коэффициент геометрической формы канала, м3.
Таким образом, в результате оценки параметров червячного имеем следующие данные: глубина нарезки червяка в зоне дозирования составляет h3=3,510-3 м, коэффициент геометрической формы модели канала составляет К = 0,0339 м3 при заданной производительности G = 0,8 кг/ч.
В настоящей работе была рассмотрена проблема разработки привода, экструдера и системы управления электротехнологической СВЧ установки с 3D принтером. Была предложена модель управления перемещением рабочего стола и экструдера с помощью платы микроконтроллера ArduinoMega 2560. Это обоснованно возможностью тонкой настройки шаговых двигателей Nema 17 с помощью данного микроконтроллера. Возможность легкого изменения алгоритма действий с помощью перепрограммирования также относится к положительным чертам этого привода.