| Poskytovatel: | Technologická agentura ČR |
| Program: | Národní centrum kompetence Mechatroniky a chytrých technologií pro strojírenstvá |
| Projekt | Vývoj technologií a zařízení pro aditivní výrobu – dílčí projekt |
| Období: | 2023 - 2025 |
| Číslo projektu: | TN02000010/09 |
| Hlavní řešitel za K354 | prof. Ing. Zdenko Bobovský, PhD. |
Cíle projektu
Cíle dílčího projektu vychází z logického a technologického členění aditivních technologií Material Extrusion, Powder Bed Fusion a Direct Energy Deposition. Důvodem k řešení dílčího projektu je přispět ke snížení energetické a materiálové náročnosti v aditivních technologií s efektivním a racionálním dopadem na udržitelnost (Sustainability) a soustavně participovat na aktuálních trendech související s cirkulární ekonomikou a úsporou energií. Dále posuzování životního cyklu modelů/výrobků (z angličtiny Life Cycle Assessment – LCA) vyrobených aditivními technologiemi, ve kterých se zohlední energetická a materiálová náročnost s efektivním ekonomickým dopadem. Z odborných příspěvků plyne, že se díky aditivním technologiím sníží celosvětová poptávka po energiích až o 27 % (Leendert A.Verhoefa a kol., Energy Policy) a v kontextu podložených vizí je nutné udržovat krok a konkurenceschopnost na celosvětovém trhu.
Dosažené výsledky
Užitný vzor - Tisková hlava s nastavitelným průměrem trysky
Tisková hlava s měnitelným průměrem, její simulační model s parametrizací tisku s ohledem na možnost měnit průměr trysky, pro využití při 3D tisku plastových komponent pomocí robotických ramen. Pro tisk nosných prvků mechanických – mechatronických struktur, kdy je potřebné měnit tloušťku extrudovaného materiálu s cílem optimalizace hmotnosti, tuhosti a také zkrácení celkové doby tisku. Dílčím cílem je vývoj potřebného SW pro ovládání tiskové hlavy a uživatelského ovládacího software celé technologie, včetně jeho digitálního dvojčete.
Průměr trysky je možné měnit v rozmezí od 0,6 mm do 1,2 mm (změnou velikosti průchozího otvoru vložky a výstupního otvoru kovové trysky je možné tyto hodnoty upravovat). Teplota tisku je v rozmezí od 180 do 230 °C. Pružná vložka je z teplotně odolného silikonu MM 940 nebo N5541.
| Průměr trysky | 0,6 – 1,2 mm |
| Rozsah pracovních teplot | 180 - 230 °C |
|---|---|
| Maximální příkon trysky | 140 W |
| Počet topných těles | 3 |
| Napětí topných těles | 24 V |
| Pohon trysky | Nema 23 Non-captive, 56 mm stack, 2 A, lead 2 mm, 55 kg |
| Rozměry trysky | 60 × 230 × 82 mm |
| Hmotnost trysky | 1,5 kg |
Prototyp - Stand pro testování nových typů tiskových hlav pro robotický 3D tisk
Funkční stand s tiskovou hlavou vybavenou tryskou s měnitelným průměrem, robotem a potřebným softwarem. Stand slouží k testování nových typů tiskových hlav pro robotický 3D tisk. Skládá se z nosného rámu z hliníkových profilů, pracovní desky, kolaborativního robotu UR3E, vyměnitelné tiskové hlavy, vyhřívané tiskové podložky, monitoru s integrovaným počítačem a řídicí elektroniky. Proces tisku je řízen pomocí speciálně vyvinutého softwaru, umožňujícího tisk za pomocí trysek s kontinuálně měnitelným průměrem. Na monitoru běží vizualizace digitálního dvojčete robotického 3D tisku.
Celkové rozměry standu jsou 1165 x 993 x 2162 mm, hmotnost 190 kg. Dosah robotu UR3E je 500 mm při reálně využitelné nosnosti 2 kg. Opakovatelná přesnost polohování je ± 0,03 mm. Velikost tiskové podložky je 400 x 400 mm. Maximální teplota podložky je 90 °C. Uhlopříčka monitoru je 40“ s FullHD rozlišením.
Funkční vzorek - Integrace tiskové hlavy s nastavitelným průměrem trysky pro robotický tisk
Fyzická integrace tiskové hlavy na robot – systém upevnění, napojení na akční a senzorický subsystém tiskové hlavy. Tisková hlava vznikla za účelem testování principu změny výstupního průměru trysky deformací pružné vložky, vyrobené z teplotně odolného silikonu. Tisková hlava umožňuje nejen zkoumání chování pružné vložky, ale také testování vlastního 3D tisku, za pomocí kolaborativního robotu UR3E. Tisková hlava je vybavena řadou snímačů, s jejichž pomocí je možné určit velikost deformace pružné vložky a velikost síly k tomu potřebné.
Výstupní průměr trysky 0,6 až 1,2 mm. Rozsah tiskových teplot od 180 do 230 °C. Maximální příkon 120 W. Rozměry tiskové hlavy 208 x 329 x 236 mm. Hmotnost tiskové hlavy 2,9 kg. Dosah robotu 500 mm. Nosnost robotu 3 kg. Opakovatelná přesnost polohování ± 0,03 mm.
Software - Modulární software pro řízení tiskové hlavy s nastavitelným průměrem trysky
SW pro technologické ovládání tiskové hlavy s nastavitelným průměrem – průměr trysky, teplota, rychlost podávání filamentu, informace o orientaci hlavy a průměru trysky, aktuální teplotě. (Poskytnutí dat pro digitální dvojče)
Vyvinutý software slouží k řízení a komunikaci s 3D tiskovou hlavou s měnitelným průměrem trysky. Jedná se o systém, který umožňuje přesné nastavování průměru trysky, řízení posuvu filamentu, regulaci teplot a automatickou kalibraci výšky pomocí senzoru BLTouch. Cílem je umožnit dynamickou změnu průměru trysky během tisku, a tím optimalizovat tok materiálu podle potřeby tiskového procesu.
Hlavní funkce systému:
Řízení trysky s proměnným průměrem
- Pomocí 2 stejnosměrných motorů se mění mechanická poloha trysky, čímž se mění její výstupní průměr.
- Software umožňuje přesné ovládání polohy v milimetrech.
Regulace teploty
- Integrovaný PID regulátor zajišťuje stabilní teplotu trysky a tiskové podložky.
- Požadované teploty lze nastavit vzdáleně z řídícího PC.
Řízení rychlosti posuvu
- Systém umožňuje nastavit požadovanou rychlost posuvu (feedrate) a průměr filamentu.
- Tím lze dynamicky upravovat množství vytlačovaného materiálu během tisku.
Automatická kalibrace výšky (BLTouch)
- Pomocí senzoru BLTouch dokáže jednotka automaticky detekovat výšku podložky.
- Kalibrace probíhá v samostatném režimu řízeném softwarovým stavovým automatem.
Síťová komunikace (TCP/IP)
- Jednotka komunikuje s nadřazeným systémem přes síť Ethernet pomocí jednoduchého binárního TCP protokolu.
- Umožňuje vzdálené nastavování, čtení aktuálních hodnot a diagnostiku.
Řídicí jednotka komunikuje s nadřazeným systémem (např. PC aplikací) prostřednictvím TCP protokolu po síti Ethernet. Komunikace probíhá binárně. Jednotlivé zprávy jsou složeny z pevně dané hlavičky a volitelného těla. Každá přenášená zpráva má stejnou strukturu. Struktura zpráv je uvedena v následujících tabulkách.
Přidružené články
BÉM, Jan, SUDER, Jiří, MIKKOLA, Aki, KOT, Tomáš, MASLOWSKI, Jan, BABJAK, Ján a MIHOLA, Milan. Variable Orifice Size Nozzle for 3D Printing. Journal of Manufacturing and Materials Processing. 2025. Scopus, WoS, [Q2]