МЕТОДИ ТА ЗАСОБИ АДАПТИВНОГО КЕРУВАННЯ ТЕМПЕРАТУРОЮ ЕКСТРУЗІЇ ПОЛІМЕРІВ У ТЕХНОЛОГІЇ FFF/FDM З ВИКОРИСТАННЯМ APID ТА MPC АЛГОРИТМІВ

Анотація

Досягнення в галузі адитивних технологій стрімко впроваджуються у промисловість, медицину, освіту та інші сфери діяльності. Однією з найбільш поширених та відносно дешевою технологій адитивного виробництва є Fused Filament Fabrication (FFF) Fused Deposition Modeling (FDM) друк, яка працює за принципом пошарової екструзії розплавленого полімерного матеріалу – філаменту. Водночас якість виготовлення виробів залежить від безлічі параметрів, таких як: конструкція принтеру для друку, матеріал, програмне забезпечення, мікроклімат при виробництві виробу. Окремим фактором який впливає на якість 3D-друку, є залежить від стабільності температурного режиму екструдера філаменту, оскільки навіть незначні відхилення температури екструдера в межах від 3 °C до 5 °C можуть призводити до появи дефектів при формуванні шарів моделі, низькій адгезії між шарами, деформацій та зниження механічної міцності виробів. Виходячи з цієї проблеми актуальною є задача підвищення точності та стабільності температурного керування в процесі екструзії філаменту під час друку, особливо в умовах динамічних теплових навантажень, що виникають при виготовлені моделі. Традиційні методи контролю, які базуються на використанні PID-регуляторів, не завжди забезпечують необхідну швидкість часу перерегулювання температури через інерційність нагрівального головки екструдера, вплив зовнішніх факторів, швидкості переміщення екструдера, швидкість подачі матеріалу, інтенсивність охолодження моделі. У цій роботі проведено аналіз фізико-теплових процесів, що відбуваються під час екструзії філаменту при використані технології FFF/FDM 3D-друку, а також досліджено вплив температурних режимів на відхилення геометричних розмірів та появу поверхневих дефектів друкованих виробів. Розглянуто сучасні методи контролю температури та підходи до її регулювання, включаючи класичні та інтелектуальні алгоритми керування. Проаналізовані переваги та недоліки сучасних підходів до реалізації адаптивного автоматизованого керування температурою екструзії Adaptive PID (APID) та прогнозуючого керування на базі Model Predictive Control (MPC). Особливості цих алгоритмів, є можливість вносити динамічні зміни в параметри регулювання в залежності від поточного теплового стану системи, що дозволяє враховувати змінні умови процесу друку та зменшувати вплив зовнішніх збурень під час друку виробу. Експериментальні дослідження були проведені на модернізованому 3D-принтері з використанням програмного забезпечення Klipper, що дозволило реалізувати гнучке налаштування параметрів керування та здійснювати високочастотний моніторинг температурних режимів друку. У ході експериментів оцінено ефективність різних алгоритмів регулювання за показниками перерегулювання, часу стабілізації, амплітуди температурних коливань та якості сформованих виробів. Отримані результати свідчать, що застосування адаптивних методів керування дозволяє зменшити амплітуду температурних коливань, підвищити стабільність процесу екструзії та покращити якість друкованих виробів. Практичне значення роботи полягає у можливості використання розробленого підходу для модернізації існуючих систем керування 3D-принтерів та підвищення ефективності адитивного виробництва.