Материал: Проектирование автоматизированной установки объёмной печати моделей

Финальный обработчик прерывания таймера 2 будет выглядеть следующим образом:

ISR(TIMER2_OVF_vect)

{= tcnt2;

FireMonitor();();();

}

В целом прошивка для управления электроникой на этом готова. Но необходимы ещё ряд функций для обеспечения печати и связи с ЭВМ.

Передача данных через последовательный порт USB производится с помощью функций обмена Serial. Для инициализации обмена данными необходимо использовать функцию Serial.begin и задать скорость обмена в бодах. Выглядит это так:

.begin(9600);

Задали скорость обмена данными 9600 бод или 9600 бит в секунду.

После инициализации нужно ждать прихода байта в буфер. Для проверки буфера используется функция Serial.available, которая возвращает значение, равное количеству байт, находящихся в буфере. Последовательный буфер может хранить до 128 байт.

Чтение байта из буфера выполняет функция Serial.read, она возвращает крайний байт из буфера последовательного порта.

Для передачи байта через последовательный порт служит функция Serial.write, параметром которой служит байт, который необходимо передать.

Проверка, чтение и отправка данных происходит следующим образом:

if (Serial.available() > 0)

{= Serial.read();

Serial.write(readData);

}

Данный код принимает байт из буфера последовательного порта и отправляет его обратно.

Так же есть функции для вывода информации не по одному байту а по несколько. Это функции Serial.print и Serial.println. Параметрами этих функция являются данные, которые необходимо передать и их тип (двоичный, десятичный или шестнадцатеричный). Функции отличаются лишь наличием символов следующей строки во второй из них. Подробно описан код начального позиционирования экструдера (см. Приложение А).

3.2.2 Разработка диспетчерской программы

Здесь есть некоторая доля везения, так как на данный момент существует много программ, схожих по действию с требуемой в моём случае. И так как некоторые из этих программ свободно распространяются и имеют открытый код, то почему бы не воспользоваться ими для разработки собственной программы.

Основная функция, которую должна выполнять эта программа - это генерация G-кода по готовой 3D-модели в формате STL. Следует лишь адаптировать интерпретацию команд под управление нашей установкой.

Для чтения и вывода 3D-модели существуют вполне стандартные решения, переделывать которые не имеет ни малейшего смысла, следовательно, можно оставить ту реализацию, которая присутствует в свободно распространяемых программах.

В данной программе уже существует возможность связи с контроллером через USB-порт, однако она требует адаптации под мой конкретный случай. Здесь необходимо добавить ряд команд, которые бы понимал контроллер установки.

Так как детальное описание кода невозможно вследствие его громоздкости, здесь его не будет, однако в приложении будет вставка из некоторых ключевых функций, над которыми производилась работа.

К этим функциям относятся:

функции открытия и параметризации файла 3D-модели STL;

функции генерации G-кода с заданными параметрами печати;

функции обмена данными с установкой.

В Приложении Б приведён код функций открытия файла STL.

. Технологическое обеспечение проекта

4.1 Описание технологического процесса объёмной печати

Технология 3D-печати установки подразумевает использование ABS и PLA пластиков.пластик

АБС-пластик - ударопрочный материал, относящийся к инженерным пластикам. Обладает более высокой стойкостью к ударным нагрузкам по сравнению с полистиролом общего назначения, ударопрочным полистиролом и другими сополимерами стирола. Превосходит их по механической прочности и жесткости. Износостоек. Выдерживает кратковременный нагрев до 90-100 °С. Максимальная температура длительной эксплуатации: 75 - 80°С. АБС-пластик пригоден для нанесения гальванического покрытия, для вакуумной металлизации, а также для пайки контактов. Хорошо сваривается. Рекомендуется для точного литья. Имеет высокую размерную стабильность. Дает блестящую поверхность. Имеются специальные марки с повышенным и пониженным блеском. Стоек к щелочам, смазочным маслам, растворам неорганических солей и кислот, углеводородам, жирам, бензину. Растворяется в ацетоне, эфире, бензоле, этилхлориде, этиленхлориде, анилине, анизоле. Не стоек к ультрафиолетовому излучению. Характеризуется ограниченной устойчивостью против атмосферных воздействий и пониженными электроизоляционными свойствами по сравнению с полистиролом общего назначения и ударопрочным полистиролом.

Обладает следующими физико-механическими свойствами:

Плотность: 1,02-1,08 г/см3.

Прочность при растяжении: 35-50 МПа.

Прочность при изгибе: 50-87 МПа.

Прочность при сжатии: 46-80 МПа.

Относительное удлинение: 10-25 %.

Усадка (при изготовлении изделий): 0,4-0,7 %.

Влагопоглощение: 0,2-0,4 %.

Модуль упругости при растяжении при 23 оС: 1700 - 2930 МПа

Ударная вязкость по Шарли (с надрезом): 10-30 кДж/м2.

Твердость по Бринеллю: 90-150 МПа.

Теплостойкость по Мартенсу: 86-96 °С.

Температура размягчения: 90-105 °С.

Максимальная температура длительной эксплуатации: 75-80 °С.

Диапазон технологических температур: 200-260 °С.

Диэлектрическая проницаемость при 106 Гц: 2,4-5,0.

Тангенс угла диэлектрических потерь при 106 Гц: (3-7)·10-4.

Удельное объемное электрическое сопротивление: 5·1013 Ом/м.

Электрическая прочность: 12-15 МВ/м.

Температура самовоспламенения: 395 °С.пластик

Полилактид (ПЛА) - биоразлагаемый, биосовместимый, термопластичный, алифатический полиэфир, мономером которого является молочная кислота. Сырьем для производства служат ежегодно возобновляемые ресурсы, такие как кукуруза и сахарный тростник.

Детали из ПЛА имеют хорошее скольжение, из них можно делать подшипники скольжения. Не токсичен и можно давать детям.

Отлично подходит для большой и маленькой печати. Срок годности 20 лет при температуре 50 градусов Цельсия.

Как поддерживающий материал очень хорошо сочетается с ABS, так как легко снимается. При необходимости можно расплавить.

Обладает следующими физико-механическими свойствами:

плотность: 1,25 г/см3;

предел прочности на разрыв: 40 МПа;

ударная прочность: 130 (при 23°C), 100 (при −30°C) КДж/м2;

модуль упругости при растяжении: 1627 МПа;

модуль упругости при растяжении при 23 °С1700 - 2930 МПа;

модуль упругости при изгибе: 1834 МПа;

коэффициент удлинения: 30%;

электрическая прочность12-15 МВ/м;

влагопоглощение: 0,2-0,4 %;

температура размягчения:~ 50°C;

температура плавления: ~180°C;

температура самовоспламенения:~ 395°С.

Технологический процесс струйной 3D-печати состоит из следующих действий (считается что в контроллер уже занесён G-код модели, которую необходимо напечатать):

заправка пластика в экструдер

Для печати используется пластиковая нить сечением от 1,25 до 3,5 мм. Нить заправляется в привод подачи пластика, где она закрепляется. После этого необходимо закрыть дверцы и установка готова к печати.

инициализация печати

Это действие заключается в начальном позиционировании экструдера (то есть установки нуля координат, относительно которых будет производиться печать модели). Начальное позиционирование происходит следующим образом: вверху около каждых трёх пар направляющих реек к корпусу крепится бесконтактный путевой выключатель (датчик начального позиционирования); в начале процесса инициализации все шаговые двигатели, отвечающие за перемещение экструдера, вращаются таким образом, что каретки, связанные зубчатым ремнём с ними начинают двигаться вверх до тех пор, пока не сработают датчики начального позиционирования; параллельно с этим процессом происходит опрос датчиков безопасности, температуры и давления на предмет их работоспособности, в случае неисправности процесс инициализации прерывается и установка завершает свою работу; после того как все каретки установились в начальное положение, и все датчики прошли проверку, инициализация считается завершённой.

процесс печати

Процесс печати заключается в последовательности холостых и рабочих ходов экструдера, которые послойно формируют трёхмерную модель.

Определяемые G-кодом холостые и рабочие ход отличаются не только скоростью движения но и наличием процесса экструзии в рабочем ходе. Экструзия пластика осуществляется путём его разогрева в нагревательной камере экструдера и последующего «выдавливания» через головку экструдера на нужный слой печатаемой модели. Экструзия характеризуется поддержанием постоянной температуры и давления пластика в нагревательной камере. При начале холостого хода давления необходимо сбросить, дабы прекратить экструзию. Температура не должна меняться в зависимости от типа ходов.

Рисунок 4.1 - Схематическая иллюстрация перемещения экструдера в зависимости от перемещения кареток

4.2 Временные характеристики процесса объёмной печати

Не считая времени на обслуживание установки (ремонт, заправка пластика и др.),в общем случае цикл печати на проектируемой установке состоит из следующих частей:

подготовительная часть(время на генерацию и загрузку G-кода в установку, а так же время, необходимое в случае печати сложных моделей, которым требуется установка дополнительной поддерживающей конструкции);

основная часть(совокупность рабочих и холостых ходов в процессе формообразования);

заключительная часть (время, тратящееся на ожидание охлаждения готовой модели (порядка 1-2 минут) и изъятие её из установки).

часть постобработки (необязательная часть рабочего цикла; обработка модели в растворителе с целью придания требуемых свойств ей поверхности).

Разберёмся по порядку с каждой частью рабочего цикла объёмной печати:

подготовительная часть

Время, необходимое на генерацию и загрузку G-кода в установку ненормированное и зависит от сложности модели. В учёт производительности не идёт.

Время на установку дополнительных удерживающих каркасов для сложных моделей, так же ненормированное и зависит от сложности каркаса, необходимого для модели и в расчёт производительности не идёт.

основная часть

Совокупность рабочих и холостых ходов обеспечивающих процесс формообразования. Исходя из того, что скорости печати и холостых ходов проектируемой установки известны, можно рассчитать усреднённое время печати модели в мм3/мин.

Рабочие хода установки бывают двух видов:

рабочий ход для печати периметра слоя (скорость печати 50 мм/сек или 3000 мм/мин);

рабочий ход для внутреннего заполнения (необходимо горазд меньшая точность, следовательно используется вдвое большая скорость печати 100 мм/сек или 6000 мм/мин).

Холостые хода могут развивать скорость до 800 мм/сек или 48000 мм/мин. Но учитывая то, что это максимальная скорость, в расчёт будем брать её усреднённое значение равное 500 мм/сек (30000 мм/мин).

Зная скорости рабочего и холостых ходов можно примерно рассчитать время рабочего и холостого хода в процессе печати.

Для максимально возможной модели - сплошного цилиндра высотой 230мм., с основанием - окружностью диаметра 230мм., время печати составит примерно 970 минут или 16,2 часа.

заключительная часть

Время, необходимое для того, чтобы напечатанная модель остыла до безопасной температуры (обычно порядка 1-2 минут) и на изъятие

часть постобработки

Не имеет нормированное время процесса. Время зависит от качества растворителя, от используемого пластика и прочих параметров, и, следовательно, не учитывается в расчётах производительности.

4.3 Определение производительности установки

Для определение производительности установки используем следующие формулы:

где tр - время рабочих ходов;п - время холостых ходов;п - время простоя.

Время простоя tп определяется по формуле:

Исходя из особенностей установки следует принять коэффициент ŋт равным 0,9.

Для случая печати цилиндра (см. пункт 4.2) время рабочих ходов будет равно 930 минут, а время холостых ходов - 40 минут. Исходя из этого рассчитаем производительность установки:

Значит производительность будет равна

Получается, что проектируемая автоматизированная установка способна производить 0,0557 цилиндров (230 на 230 миллиметров) в час.

. Эксплуатационная документация

Эксплуатационная документация - это техническая документация, которая в отдельности или в совокупности с другими документами определяет правила эксплуатации изделия и (или) отражает сведения, удостоверяющие гарантированные изготовителем значения основных параметров и характеристик изделия, гарантии и сведения по его эксплуатации в течении установленного срока службы. Данная документация регламентирована требованиями ГОСТ 2.601-2006.

Руководство по эксплуатации - документ, содержащий сведения о конструкции, принципе действия, характеристиках (свойствах) изделия, его составных частях и указания, необходимые для правильной и безопасной эксплуатации изделия (использования по назначению, технического обслуживания, текущего ремонта, хранения и транспортирования) и оценок его технического состояния при определении необходимости отправки его в ремонт, а также сведения по утилизации изделия и его составных частей

5.1 Руководство по эксплуатации

Назначение

Установка предназначена для печати объёмных моделей, габариты которых не превышают цилиндр с диаметром основания 230 мм. и высотой 230 мм. путём послойной струйной экструзии пластика. Для печати используются ПЛА (PLA) пластик, отвечающий требованиям безопасности и практичности. Его можно обрабатывать, сверлить, шлифовать и окрашивать. Модель поступает в установку в виде интерпретированного G-кода. Сам G-код и его интерпретацию формирует диспетчерская программа по готовой 3D-модели в формате STL. В установку подаётся пластик в виде проволоки диметром до 3,5 мм.

Характеристики

Ключевые особенности и характеристики:

Принтер полностью адаптирован для работы пользователем, не требуется специальных навыков;

Поставляется собранным, настроенным и протестированным;

Высокая прочность и точность конструкции исключает случайные погрешности во время печати;

Высокая адгезия (прилипание) пластика к печатной платформе. Модель не отлипает и не загибается в процессе печати;

Высокое качество печати. Толщина слоя от 0,25 до 0,05 мм.

Для формирования интерпретированного G-кода и управления 3D-принтером используется специальная диспетчерская программа, в которую загружается 3D-модель в формате STL. Программа поставляется вместе с принтером, а так же открыт доступ к самым свежим версиям через интернет. Программа сделана с учётом всех особенностей эксплуатации, при этом обладает простым и понятным интерфейсом, что сократит время на её освоение до минимума.