TEMPERATURE CONTROL FOR 3D ADDITIVE PROCESSES BASED ON THE VARIABLE ELECTRICAL PARAMETERS OF THE HEATED NOZZLE
Authors: Осколков А.А. , Безукладников И.И. , Трушников Д.Н. 
Published: November 2020

Статья посвящена трёхмерной печати по технологии FFF/FDM. Большинство существующих на рынке FDM 3D-принтеров используют косвенный резистивный метод нагрева сопла и стандартные термоэлектрические методы контроля температуры, что обусловливает высокую тепловую инерционность системы нагрева и невозможность обеспечения достаточной скорости и точности контроля температуры. Невозможность управления температурой сопла в процессе печати приводит к непостоянному качеству межслоевого спекания и неоднородности внутреннего объёма напечатанных изделий. Для минимизации или устранения перечисленных недостатков используется индукционная система нагрева сопла минимальной тепловой массы. При этом для контроля температуры сопла предлагается резонансный (вихретоковый) метод. Для реализации данного метода контроля температуры требуется определить зависимость электрических параметров материала сопла от температуры. Для определения данной зависимости был разработан лабораторный стенд, состоящий из источника питания, генератора колебаний высокой частоты, катушки-индуктора, измерительной катушки, блока регистрации и обработки измерительного сигнала. Представлены методика получения измерительного сигнала и методика обработки измеренного сигнала для получения зависимости величины данного сигнала от температуры. Предложены стратегии управления температурой сопла на основе полученных зависимостей. Представлены результаты экспериментов, подтверждающие заявленные характеристики системы

The article is devoted to FDM 3D manufacturing. Most of the FDM 3D printers on the market use an indirect resistive nozzle heating method and standard thermoelectric temperature control methods, which leads to a high thermal inertia of the heating system and the inability to provide sufficient speed and accuracy of temperature control. The inability to control the temperature of the nozzle during the printing process leads to inconsistent of layer-to-layer adhesion quality, and on the larger scale - to heterogeneity of material inside the whole printed object. To mitigate and/or resolve these problems, we proposed an induction heating system of the nozzle with a minimum thermal mass. At the same time, we proposed a resonant (eddy current) method to control the temperature of the nozzle. To implement this method of temperature control, we required to determine the dependence of the electrical parameters of the nozzle material on temperature. To determine this dependence, we created a testbed system, consisting of the ultra-low weight induction heated nozzle, a power source, a high-frequency oscillator, an inductor coil, a measuring coil, a unit for recording and processing a measuring signal. We present the means for detection and amplification of the measuring signal. We show the steps for processing of the acquired signal to obtain final temperature values. We propose approaches for controlling the nozzle temperature based on the obtained dependences. We provide the experimental data for all the stages of conducted research