Измерение влажности филамента диэлектрическим методом
Автор: Руденко А.В.
Журнал: Международный журнал гуманитарных и естественных наук @intjournal
Рубрика: Технические науки
Статья в выпуске: 5-4 (92), 2024 года.
Бесплатный доступ
В статье рассматривается метод контроля влажности филамента, применяемого в 3D-печати, основанный на использовании ёмкостного датчика с кварцевым генератором. Этот подход позволяет не разрушать филамент и получать точные и оперативно контролировать содержание влаги в материале, что имеет решающее значение для повышения качества и надежности 3D-печати. Также в данной статье рассматриваются недостатки использования стандартных влагомеров для экспресс-анализа влажности филамента. Представлен альтернативный метод измерения влажности филамента, освещены его преимущества и возможные варианты реализации.
Филамент, гигроскопичность, влажность, датчик, генератор колпитца
Короткий адрес: https://sciup.org/170205274
IDR: 170205274 | DOI: 10.24412/2500-1000-2024-5-4-58-60
Текст научной статьи Измерение влажности филамента диэлектрическим методом
Для получения высококачественных изделий в 3D-печати первостепенное значение имеет качество филамента. Один из ключевых параметров, влияющих на качество, – это влажность. Популярные материалы для филамента, такие как PLA, ABS, PETG и нейлон [1], гигроскопичны, то есть способны поглощать влагу из окружающей среды [2]. Для большинства филаментов рекомендуемая влажность ниже 10%. Влажность выше 15% может приводить к ряду проблем [3], включая:
-
1) Дефекты печати: пузырьки, деформации, низкая прочность, расслоение слоев, неровности поверхности, изменение диаметра и цвета модели;
-
2) Проблемы с оборудованием: засорение сопла, заваривание материала, скручивание филамента.
Чтобы избежать проблем, связанных с влагой, перед печатью важно оценить влажность филамента. Это позволяет принять решение о необходимости сушки материала или изменение параметров 3D-печати. Сушка филамента перед каждой печатью, без предварительной проверки, может привести к неоправданным затратам времени и ресурсов.
Для решения этой проблемы предлагается использовать диэлектрический метод [4] вместе с измерительной схемой на основе кварцевого генератора [5].
Преимущества данного метода:
-
1) Неразрушающий контроль: Метод не повреждает филамент и позволяет проводить измерения многократно;
-
2) Оперативность: Измерение частоты генератора является быстрым процессом, что позволяет непрерывно контролировать влажность филамента.
-
3) Низкая стоимость: Датчик и компоненты схемы доступны и недороги.
Датчик представляет собой конденсатор с параллельными пластинами [6], между которыми проходит филамент (рис. 1). Изменение диэлектрической проницаемости материала в зависимости от влажности влияет на ёмкость датчика, что, в свою нератора. очередь, изменяет частоту кварцевого ге-

Рис. 1. Датчик для измерения влажности филамента
В основе измерительной схемы лежит генератор Колпитца (рис. 2), поскольку он сочетает в себе следующие преимущества: высокую стабильность частоты, низкое энергопотребление, возможность генерации высокочастотных колебаний, что подходит для генерации высокочастотных ко- лебаний. Кварцевый резонатор обеспечивает стабильность частоты, а LC-контур позволяет ее настроить [7]. Замена конденсатора в LC-контуре на датчик влажности филамента позволяет отслеживать изменения частоты в зависимости от влажности материала.

Рис. 2. Схема генератора Колпитца
Генератор Колпитца генерирует синусоидальный сигнал, который несет информацию о влажности филамента через изменение своей частоты. Для его считывания можно использовать микроконтроллер в режиме аналого-цифрового преобразования (АЦП) или в режиме измерения частоты (тактирования). Каждый из этих режимов имеет свои особенности и преимущества.
Для измерения влажности филамента предлагается несколько вариантов:
-
1) Полное протягивание филамента через датчик: Этот метод позволяет получить
наиболее точную оценку влажности по всей длине материала, но измерение влажности может занимать длительное время в зависимости от длинны филамента.
-
2) Измерение влажности начального участка филамента: Данный метод, несмотря на свою практичность и скорость оценки, имеет существенный недостаток. Неизмеренный участок филамента может содержать участки с повышенной влажностью, способные привести к дефектам печати.
-
3) Интеграция датчика непосредственно перед экструдером: Этот метод обеспечи-
- вает непрерывный мониторинг состояния филамента, позволяя максимально точно отслеживать уровень его влажности в процессе печати. Благодаря этому, становится возможным выявлять участки модели, где влажность материала может негативно повлиять на качество печати, и анализировать критичность её влияния в каждом конкретном случае, или динамический изменять параметры печати для минимизации влияния влажности на данном участ-
- После проведения серии экспериментов по измерению влажности образцов нейлона с влажностью 0%, 50% и 100% было установлено, что диэлектрический метод с измерительной схемой на генераторе Кол-питца обладает хорошей чувствительностью к изменениям влажности филамента и демонстрирует хорошую повторяемость результатов, что делает его подходящим для использования в системах контроля влажности филамента для 3D-печати.
ке.
Список литературы Измерение влажности филамента диэлектрическим методом
- Доступная 3D печать для науки, образования и устойчивого развития // Международный центр теоретической физикиАбдус Салам - МЦТФ. 2013.
- Шкуро, А.Е. Технологии и материалы 3D-печати. - Екатеринбург: Урал. гос. лесотехн. ун-т. 2017. EDN: ZETKUB
- Козлов Н. А. Митрофанов А. Д. Физика полимеров. - М., 2001.
- Берлинер М.А. Измерения влажности. - М.: "Энергия", 1973.
- Зикий А.Н., Полмазанов А.В. Устройства телекоммуникационных систем. Кварцевые генераторы. - Таганрог: Изд-во Южного федерального университета, 2018. EDN: YTKTGH
- Сташков М.А. Электрический конденсатор. Полная описательная теория принципа работы. - 2016. - [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://russkaja-fizika.ru/sites/default/files/book/elektricheskiy_kondensator.pdf.
- Гусев В.Н. Электрические конденсаторы постоянной емкости. - Москва: Советское радио, 1968.