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.