基于樹脂SLA工藝的新型閉環(huán)控制系統(tǒng)

2020年10月22日，南極熊獲悉，埃因霍溫理工大學(xué)的博士研究員Thomas Hafkamp正在開發(fā)一種用于快速成型制造的新型閉環(huán)控制系統(tǒng)。

Hafkamp在其題為 ＂Towards closed－loop control in photopolymer－based additive manufacturing ＂的論文中詳細(xì)介紹了他的工作，他的工作重點(diǎn)是基于樹脂的SLA工藝。雖然SLA工藝發(fā)展已經(jīng)比較成熟，但大多數(shù)3D打印機(jī)并沒有利用傳感器數(shù)據(jù)來實(shí)時(shí)糾正打印工作，基本上是在一個(gè)開環(huán)上運(yùn)行，據(jù)此預(yù)定義的打印參數(shù)決定了零件的質(zhì)量和成功。

△理想的閉環(huán)控制系統(tǒng)，圖片來自埃因霍溫理工大學(xué)

反饋回路的力量

雖然2020年的SLA系統(tǒng)比以往任何時(shí)候都要復(fù)雜，但仍然存在打印失敗的問題。要在第一次運(yùn)行時(shí)就完美地制造出一個(gè)零件，需要大量的技巧和經(jīng)驗(yàn)（以及運(yùn)氣），這就需要基本上采用試錯(cuò)的方法。用Hafkamp的話來說，你不可能 ＂CTRL ＋ P，然后從3D打印機(jī)中得到一個(gè)無缺陷的產(chǎn)品＂。

閉環(huán)可能是解決這個(gè)問題的答案，使用傳感器數(shù)據(jù)和智能算法來抵消干擾，否則會(huì)導(dǎo)致零件質(zhì)量下降。在SLA的背景下，反饋控制需要一次性解決系統(tǒng)的過程模型、傳感器和執(zhí)行器。

光固化的閉環(huán)控制

Hafkamp的工作首先進(jìn)行了全面的文獻(xiàn)回顧，研究者在理論上證明了這種控制系統(tǒng)是可能的。然而，他確定主要的限制將是系統(tǒng)的測量方面，因?yàn)橄嚓P(guān)的機(jī)器實(shí)現(xiàn)的傳感器并不完全是現(xiàn)成的。他主動(dòng)設(shè)計(jì)、制造和測試了一種新的光學(xué)測量儀器來解決這個(gè)問題。

這套新的測量儀器能夠測出光敏樹脂固化的程度，也就是說對樹脂的固化狀態(tài)進(jìn)行測量。

△Hafkamp的儀器測量的光聚合過程，圖片來自埃因霍溫理工大學(xué)

作為概念驗(yàn)證，Hafkamp在TNO材料解決方案實(shí)驗(yàn)室設(shè)立了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，包括一個(gè)紅外光譜儀、一個(gè)UV LED執(zhí)行器和一個(gè)嵌入式控制器。該儀器配有他自己開發(fā)的軟件，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信。結(jié)果顯示，該儀器能夠以每秒2萬次的速度快速測量，為未來更全面的、可用于3D打印機(jī)的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)做好了鋪墊。

實(shí)時(shí)過程監(jiān)控和質(zhì)量控制是增材制造領(lǐng)域積極研發(fā)的一個(gè)領(lǐng)域。最近，賓夕法尼亞州立大學(xué)從科技公司3M獲得了18萬美元的資助，用于探索金屬3D打印的質(zhì)量控制方法。該團(tuán)隊(duì)將使用無損評估（NDE）方法，即在不傷害零件或系統(tǒng)的情況下對其進(jìn)行測試，以評估使用粘結(jié)劑噴射工藝3D打印的零件。

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