Создание термокамеры для повышения качества и расширения типов материалов в 3D-печати

Ключевые слова : 3D-принтер, 3D-печать, дефекты, температура, термокамера, термоконтроллер.

Предлагается к реализации термокамера для 3Д-принтера, не оборудованного такой опцией или аксессуаром.

Развитие технологии воспроизведения трехмерных объектов в последнее время получило широкое распространение. В настоящее время на рынке представлено множество моделей подобных устройств (различные 3D-принтеры), применяемых как для быстрого прототипирования в профессиональной деятельности инженеров, так и любителями для реализации своих идей. Наиболее распространенной является технология FDM-печати (послойное плавление пластиком), а наиболее доступная по цене — открытая конструкция принтера. Печатаемые модели в этом случае подвергаются различным воздействиям и факторам окружающей среды, из-за чего на изделии появляются дефекты.

Рис. 1. Дефект деламинация

Дефект проявился в процессе завершения длительного процесса печати, в результате резкого изменения параметров окружающей среды, из — а чего деталь придётся утилизировать и повторно затратить время на процесс повторной печати. В качестве решения проблемы стабилизации температуры в области печати многие любители просто накрывают пластиковым пакетом свой 3Д-принтер. У данного метода есть существенный недостаток — опасность попадания пленки в движущиеся части или соприкосновение с горячими элементами 3Д-принтера. Также можно приобрести чехлы и корпуса для некоторых моделей принтеров в качестве аксессуаров, однако стоимость такого аксессуара может быть сопоставима со стоимостью нового 3Д-принтера, а большинство таких аксессуаров не имеют функции подогрева объема печати.

Для создания термокамеры был выбран 3Д-принтер модели Anycubic Mega Zero 2.0. Его габаритные размеры 505Х431Х607 мм.

Для конструирования оболочки термокамеры 3Д-принтер был осмотрен, проведено исследование конструкции его основных узлов. Габаритные размеры позволяют использовать стандартные и дешевые листовые материалы, например оргстекло, для создания оболочки удерживающей тепло.

В системе проектирования Компасс-3D v.19 была разработана модель данного 3Д принтера, была продумана конструкция рамы. Предложена следующая конструкция, состоящая из алюминиевых профилей-уголков, скрепляемых крестовинами, напечатанными на 3Д-принтере. Крепление уголков в крестовину осуществляется в паз, и дополнительно скрепляется винтовым соединением. С лицевой стороны на петлях устанавливаются створки, выполненные из листов оргстекла. Раскрывающиеся створки передней оболочки обеспечивают удобство обслуживания 3Д-принтера, при этом блоки электроники 3Д-принтера выносятся за пределы термокамеры, для обеспечения более щадящего температурного режима их эксплуатации.

Рис. 2. Узел соединения рамы термокамеры

Рис. 3. Эскиз термокамеры с установленными листами оболочки и 3Д-принтером

Для поддержания микроклимата в термокамере требуется дополнительно разработать устройство контроля температуры и подачи теплого воздуха. Данная система должна обеспечивать регистрацию и поддержку средней заданной пользователем температуры до 60°С.

В настоящее время имеется широкий спектр устройств управления — контроллеров, промышленного изготовления, реализующих функцию контроля и управления температурой. Стоимость таких устройств начинается от 1000 рублей за устройство способное выполнять контроль в одной точке. Добавление дополнительных зон контроля и управления значительно повышает стоимость такого контроллера. Однако современное развитие электроники позволяет самостоятельно реализовать подобное устройство управления с минимальными затратами, а реализация такого контроллера температуры вполне под силу начинающему радиолюбителю.

Разрабатываемый контроллер должен содержать следующие элементы:

— Источник питания

— Элементы управления, формирующие устройство ввода

— Датчики температуры

— Устройство управления нагревательным элементом и нагнетателем потока воздуха

— Устройство, реализующее функции управления

Наличие информации в сети интернет по данной тематике позволяет судить, о том, что подобные задачи решались радиолюбителями неоднократно.

Рис. 4. Структурная схема контроллера термокамеры

Разработанное схемотехническое решение позволяет подключить до 8 аналоговых датчиков LM235. Предусмотрено последовательное подключение цифровых датчиков DS18B20. В качестве управляющего микроконтроллера выбрана ИС AТmega88PA. Вывод информации организован на 4х-значный 7сегментный мультиплексированный индикатор, система отображения дополнена 12ю светодиодными индикаторами, при этом 3 из них объединены в одном корпусе и являются RGB светодиодом, что позволяет отображать более широкий набор световых сигналов. Вывод информации осуществляется через последовательную шину SPI с подключенными к ней 3мя микросхемами сдвиговых регистров 74HC595. Аналоговые датчики температуры так же подключены к всторенному в микроконтроллер АЦП при помощи аналогово мультиплексора на основе микросхемы 4051. Кнопки управления подключены к выводам микроконтроллера способным обрабатывать сигналы внешних прерываний.

Для проверки разработанного схемотехнического решения был собран макет устройства и разработано встроенное программное обеспечение для управляющего микроконтроллера в среде Atmel Studio на языке программирования Си. Программное обеспечение микроконтроллера может быть доработано в дальнейшем, для улучшения характеристик и удобства управления, по результатам опытной эксплуатации.

Пробные циклы печати ABS пластиком с применением термокамеры дали более стабильные результаты. Количество успешно завершенных циклов печати увеличилось. Однако точные выводы целесообразно будет сформулировать позже, набрав достаточное количество рабочих циклов печати. Дополнительно выявлено уменьшение шума (субъективно, т. к. измерения не проводились и данный полезный эффект изначально не преследовался) в помещении при работе 3Д-принтера.

Литература:

1. Ресурс https://kompas.ru/ (Дата обращения: ноябрь 2021 — февраль 2022г.)
2. https://cvetmir3d.ru/blog/poleznoe/raznye-vidy-3d-printerov-ili-tekhnologii-3d-pechati/ (Дата обращения: ноябрь 2021г.)
3. https://ten24.com.ua/blog/zachem-nuzhen-3d-printer-i-kak-on-rabotaet (Дата обращения: ноябрь 2021г.)
4. https://3d.globatek.ru/3d_printing_technologies/fdm/ (Дата обращения: ноябрь 2021г.)
5. https://3dtool.ru/stati/fdm-tekhnologiya-kak-eto-rabotaet/ (Дата обращения: ноябрь 2021г.)
6. Материалы ресурса https://ru.wikipedia.org/
7. https://www.ixbt.com/printer/3d/3d_fdm.shtml (Дата обращения: ноябрь 2021г.)
8. https://top3dshop.ru/blog/types-of-fdm-3d-printer.html (Дата обращения: ноябрь 2021г.)
9. https://3dtoday.ru/wiki/PLA_plastic (Дата обращения: ноябрь 2021г.)
10. https://bestfilament.ru/tlty/category/plastik-Bestfilament/ (Дата обращения: ноябрь 2021г.)
11. https://cvetmir3d.ru/blog/poleznoe/problemy-3d-pechati-i-varianty-ikh-resheniya-ustranenie-prichin-defektov-i-oshibok-vo-vremya-pechati/ (Дата обращения: ноябрь 2021г.)
12. https://3dtoday.ru/blogs/eta4ever/a-short-glossary-of-tridetodate (Дата обращения: ноябрь 2021г.)
13. https://reprap.org/wiki/RepRap/ru (Дата обращения: ноябрь 2021г.)
14. Ресурс https://aliexpress.ru/ (Дата обращения: ноябрь 2021 — февраль 2022г.)
15. https://top3dshop.ru/kupit-3d-printer/hercules-g2.html (февраль 2022г.)
16. Тицце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника, 12-е изд., в 2х томах: пер. с нем. — М.: ДМК Пресс, 2015.
17. Хоровиц, Хилл. Искусство схемотехники: Пер. с англ. — Изд. 7е. — М.:МИР, БИНОМ. — 2010. — 704 с., ил.
18. Аванесян Г. Р., Левшин В. П. Интегральные микросхемы ТТЛ, ТТЛШ: Справочник. — М.: Машиностроение, 1993. — 256 с.: ил
19. Шнайдер Корнелиус, Шонфелдер Герт Измерительные устройства на базе микропроцессора ATmega. — СПб: БХВ-Петербург, 2012. — 288 с.: ил.
20. Харрис Д. М., Харрис С. Л, Цифровая схемотехника и архитектура компьютера. — М.: ДМК-пресс, 2018. — 792с.: ил.
21. https://monofilament.com.ua/blog/defekty-vo-vremja-3d-pechati-teper-v-proshlom (Дата обращения: февраль 2022г.)
22. https://russian.alibaba.com/product-detail/mini-3d-printer-dust-cover-enclosure-fireproof-and-dustproof-protective-3d-printer-dust-covertent-3d-printer-dust-cover-1600204134661.html (Дата обращения: февраль 2022г.)
23. https://alexgyver.ru/gyvercontrol/ (Дата обращения: ноябрь 2021 — февраль 2022г.)
24. Электронный ресурс https://www.chipdip.ru/ (Дата обращения: ноябрь 2021 — февраль 2022г.)