Pomiar średnicy i owalności filamentu 3D – kontrola linii

Średnica filamentu 1,75 lub 2,85 mm zależy od współpracy wytłaczarki, pompy stopu, głowicy, chłodzenia i odciągu. Zmiana przekroju wpływa na objętość materiału podawanego do drukarki FFF/FDM, a owalizacja może pozostać niewidoczna przy pomiarze w jednej osi. Dlatego o jakości szpuli decydują również lokalne zgrubienia, przewężenia i przebieg średnicy na długości produktu.

Laserowy pomiar inline pozwala kontrolować geometrię podczas wytłaczania, a w konfiguracji ze sprzężeniem zwrotnym może także sterować korektą prędkości odciągu. Wyjaśniamy, jak interpretować tolerancje, dobierać liczbę osi pomiarowych oraz łączyć kontrolę jakości z pracą wytłaczarki i pompy stopu. Pokazujemy też zastosowanie mierników LDM, głowicy EdgeMetric 360 i linii filamentowych SiTech3D.

Jak ocenia się jakość geometryczną filamentu do druku 3D?

Kontrola geometrii filamentu obejmuje trzy powiązane, ale różne cechy: wymiar nominalny, zmienność średnicy na długości oraz kształt przekroju poprzecznego. Średnia wartość 1,75 lub 2,85 mm może mieścić się w specyfikacji, mimo że na szpuli znajdują się krótkie zgrubienia, przewężenia albo odcinki o spłaszczonym przekroju. Dlatego wynik kontroli powinien opisywać zarówno wartości wymiaru, jak i miejsce wystąpienia odchylenia.

Średnica nominalna jest wartością odniesienia przy doborze filamentu i ustawień drukarki FFF/FDM. Tolerancja średnicy określa dopuszczalny zakres wymiaru według przyjętej metody oceny. Przykładowo 1,75 ± 0,05 mm oznacza przedział od 1,70 do 1,80 mm. Ocena jakości wymaga ponadto określenia, czy limity dotyczą każdego kierunku pomiarowego, w jakim czasie oblicza się średnią i jaka długość odcinka poza tolerancją jest dopuszczalna.

Dla idealnego koła średnica d = 2r, gdzie r oznacza promień. W rzeczywistym filamencie wymiar mierzy się w określonym kierunku, a przekrój może odbiegać od koła. Z tego powodu pojedynczy odczyt średnicy i ocena całego obrysu dostarczają innej informacji o jakości.

Rys.1 Średnica oraz promień filamentu do drukarek 3D.

W linii SiTech3D LE-1SF 32 mm pomiar laserowy można powiązać z parametrami wytłaczarki, pompy stopu i odciągu. Takie zestawienie pozwala przejść od stwierdzenia odchylenia średnicy do rozpoznawania jego przyczyn i regulacji procesu.

Jak tolerancja średnicy wpływa na objętość podawanego materiału?

Przy kołowym przekroju pole powierzchni filamentu wynosi A = πd²/4. Objętość odcinka o długości L jest równa V = A · L. Oprogramowanie przygotowujące wydruk FFF/FDM oblicza podawanie materiału na podstawie średnicy zadeklarowanej przez użytkownika. Jeżeli rzeczywisty przekrój różni się od przyjętego, przy tej samej długości przesuwu do głowicy trafia inna objętość polimeru.

Zależność od średnicy jest kwadratowa: wzrost wymiaru o 1% zwiększa pole przekroju o około 2%, a zmniejszenie o 1% obniża je o około 2%. Może to wpływać na lokalny strumień materiału, szerokość ścieżki i jakość wypełnienia. Ostateczny wynik drukowania zależy również od temperatury, warunków przepływu przez dyszę, właściwości tworzywa i parametrów depozycji.

Rys. 2 Wizualizacja zmiany powierzchni przekroju filamentu 3D w funkcji zmiany średnicy.

Obliczenia dla filamentu 1,75 i 2,85 mm

Zmianę pola względem wymiaru nominalnego oblicza się ze wzoru ΔA [%] = [(d/d_nom)² − 1] × 100%. Poniżej podano przykłady geometryczne dla dwóch średnic nominalnych i dwóch tolerancji. Są to wartości obliczone, a nie wyniki pomiarów konkretnego filamentu. Wartości ±0,02 oraz ±0,05 mm służą porównaniu; wymagania odbiorowe określa specyfikacja wyrobu.

Dla 1,75 mm pole przekroju wynosi 2,4053 mm². Przy średnicy 1,70 mm zmniejsza się do 2,2698 mm² (−5,63%), a przy 1,80 mm rośnie do 2,5447 mm² (+5,80%). Dla odcinka o długości 1 mm liczby te odpowiadają objętości wyrażonej w mm³. Rozpiętość między wynikami skrajnymi należy odróżnić od procentowego odchylenia każdego z nich względem wartości nominalnej.

Rys. 3 Wizualizacja zmian objętości wytłaczanej dla 1 mm filamentu, z minimalną i maksymalną tolerancją średnicy.

Producent filamentu powinien określić nie tylko przedział dopuszczalnej średnicy, lecz także sposób oceny owalizacji, długość dopuszczalnych zaburzeń oraz kryteria akceptacji całej szpuli. To właśnie te wymagania wyznaczają potrzebną liczbę osi i gęstość pomiaru w linii.

Owalizacja i niekołowość: dlaczego średnia średnica nie wystarcza?

Owalizacja oznacza zmianę przekroju w kierunku kształtu eliptycznego. Niekołowość jest pojęciem szerszym: obejmuje również miejscowe spłaszczenia, wypukłości i nieregularności obrysu. Filament może mieć pole przekroju bliskie nominalnemu, a jednocześnie znacznie różnić się wymiarami w poszczególnych kierunkach.

Przykład: elipsa o niemal nominalnym polu przekroju

Załóżmy, że przekrój filamentu jest elipsą o wymiarach głównych 1,70 i 1,80 mm. Rozpiętość tych wymiarów wynosi 0,10 mm. Pole elipsy określa wzór A = π · d₁ · d₂/4 i wynosi około 2,4033 mm², czyli zaledwie o 0,08% mniej od pola koła o średnicy 1,75 mm. Bilans objętościowy takiego odcinka jest niemal nominalny, ale jego geometria może wpływać na prowadzenie filamentu w drukarce.

Przykład wyjaśnia, dlaczego kontrola średniej średnicy lub ilości tworzywa na jednostkę długości nie zastępuje pomiaru kształtu. Przy takim samym polu przekroju mogą występować różne wymiary maksymalne, a więc również różne warunki kontaktu filamentu z elementami układu podającego.

Jako prosty wskaźnik rozpiętości wymiarów kierunkowych można zastosować O_m = max(d_i) − min(d_i). Jest to wynik dla dostępnych osi, a nie pełny pomiar niekołowości całego obrysu. Wszystkie porównywane wymiary powinny dotyczyć tego samego przekroju; przy czujnikach przesuniętych wzdłuż linii dane trzeba zsynchronizować z położeniem filamentu.

Jak wytłaczarka, pompa stopu, chłodzenie i odciąg kształtują średnicę?

Średnica gotowego filamentu jest wynikiem kolejnych operacji: przygotowania surowca, uplastyczniania, transportu i stabilizacji stopu, formowania w głowicy, rozciągania oraz chłodzenia. Mikrometr mierzy skutek pracy całej linii, dlatego jego sygnał nabiera wartości diagnostycznej dopiero po powiązaniu z temperaturami, ciśnieniami, obrotami napędów i prędkością odbioru.

Wytłaczarka: temperatura stopu, homogenizacja i stabilność uplastyczniania

W wytłaczarce jednoślimakowej tworzywo jest transportowane, uplastyczniane i homogenizowane. Stabilność tego procesu zależy m.in. od przygotowania granulatu, geometrii ślimaka, napełnienia strefy zasilania, temperatury i oporów przepływu. Wilgoć w surowcu wrażliwym na hydrolizę może powodować degradację materiału, a obecność pęcherzy lub wahań podawania może ujawnić się później jako lokalna zmiana geometrii włókna.

W przypadku compoundów i filamentów z dodatkami dochodzi zagadnienie mieszania i dyspersji składników. Wybór układu uplastyczniającego powinien zatem wynikać z wymagań materiału oraz jakości uzyskiwanego stopu, a nie wyłącznie z maksymalnej wydajności. Zależności te rozwijamy w artykule Wytłaczarka do produkcji filamentu – dobór i prowadzenie procesu.

Pompa stopu i głowica: stabilizacja strumienia materiału

W linii LE-1SF 32 mm pompa stopu P-36 pracuje pomiędzy wytłaczarką a głowicą. Jej geometryczna objętość przetłaczania wynosi 10 cm³/obr. Pompa ogranicza przenoszenie części wahań wydajności ślimaka na wypływ przez głowicę, pod warunkiem zapewnienia odpowiedniego zasilania stopem i stabilnych warunków ciśnieniowych. Prędkość obrotowa pompy jest wielkością zadaną, natomiast rzeczywisty strumień materiału zależy także od lepkości, różnicy ciśnień i strat objętościowych.

Głowica formuje wypływającą strugę. Po wyjściu z ustnika stop może pęcznieć, następnie ulega rozciąganiu i kurczeniu podczas chłodzenia. Dlatego średnicę otworu ustnika oraz parametry odbioru dobiera się łącznie do materiału i planowanego wymiaru filamentu. Pomiar gotowego wyrobu pozwala ocenić skuteczność tego doboru.

Chłodzenie i odciąg: utrwalanie geometrii oraz zmiana przekroju

Między głowicą a pierwszą wanną filament jest podatny na rozciąganie. Odległość głowica–wanna, temperatura pierwszej i drugiej strefy wodnej, prędkość przesuwu oraz prowadzenie włókna wpływają na przebieg chłodzenia i skurczu. Jeśli obwód wyrobu stygnie nierównomiernie, mogą pojawiać się odchylenia kształtu przekroju. Ocenę wymiaru końcowego prowadzi się po ustabilizowaniu temperatury i osuszeniu filamentu.

Odciąg kształtuje prędkość liniową i rozciągnięcie strugi. Przy zbliżonym strumieniu masowym zwiększenie prędkości zmniejsza pole przekroju, a zmniejszenie prędkości zwiększa je. Za odciągiem magazyn grawitacyjny stanowi bufor między ciągłą produkcją a nawijaniem: pozwala kompensować zmiany prędkości nawijarki i operację zmiany szpuli bez konieczności ciągłego zmieniania nastaw wytłaczania.

W linii LE-1SF 32 mm współpracują wytłaczarka, pompa P-36, głowica, dwie wanny chłodzące, osuszanie, laserowy pomiar średnicy, odciąg, magazyn i nawijarka. Dwuosiowy pomiar stanowi element wyposażenia opisanego w karcie tej linii. Dla procesu liczy się przede wszystkim wspólna praca tych urządzeń w zadanym punkcie technologicznym.

Laserowy pomiar inline: ile osi, gdzie mierzyć i jak wykrywać defekty?

Bezkontaktowy mikrometr mierzy filament bez zatrzymywania wytłaczania. Dostarcza danych o aktualnym wymiarze, jego trendzie i przekroczeniach tolerancji. Przy doborze czujnika liczą się zakres pomiarowy, liczba osi, niepewność pomiaru, częstotliwość akwizycji, rodzaj wyjścia do sterownika oraz warunki montażu na linii.

Jedna, dwie czy trzy osie pomiarowe?

• Jedna oś pozwala mierzyć wymiar w jednym kierunku i śledzić zmiany średnicy. Może dostarczać sygnał do regulacji, gdy charakter przekroju jest wystarczająco stabilny.
• Dwie osie mierzą w dwóch kierunkach, zwykle prostopadłych. Pozwalają ocenić rozbieżność tych wymiarów i skuteczniej nadzorować owalizację.
• Trzy osie zwiększają liczbę obserwowanych kierunków i ograniczają ryzyko przeoczenia części zaburzeń geometrii. Zakres rekonstrukcji obrysu zależy od zasady pomiaru i algorytmu.

Przykładowo elipsa obrócona względem osi czujnika może dawać podobne wskazania X i Y, mimo że jej wymiary główne są różne. Więcej osi dostarcza pełniejszej informacji o przekroju; dokładność i niepewność pojedynczego wyniku wyznaczają parametry metrologiczne urządzenia oraz warunki pomiaru.

Laserowe mierniki LDM mogą być dobierane do liczby osi, zakresu wymiarowego i wymaganej integracji z linią. Zasady optycznych metod pomiaru omówiono szerzej w artykule Mikrometry laserowe.

Położenie głowicy pomiarowej i dwa punkty kontroli

Pomiar wymiaru gotowego filamentu zwykle umieszcza się po chłodzeniu i osuszaniu, przed odciągiem końcowym lub nawijaniem. W tym miejscu geometria powinna być możliwie ustabilizowana, a tor optyczny wolny od kropli wody. Konkretna odległość od głowicy i odciągu zależy od układu technologicznego oraz temperatury produktu.

Przy szczególnych wymaganiach jakościowych można zastosować dwa punkty pomiarowe: jeden jako źródło sprzężenia zwrotnego dla regulacji, drugi jako dodatkową kontrolę wymiaru wyrobu. Wyniki porównuje się po przesunięciu o drogę transportu tego samego fragmentu filamentu. Przyczyną różnic mogą być zarówno zmiany wymiaru na linii, jak i warunki montażu czujników.

Rozdzielczość, niepewność i minimalna długość defektu

Rozdzielczość 0,001 mm oznacza krok wskazania, a nie dokładność równą ±0,001 mm. Wymagania metrologiczne obejmują niepewność pomiaru w warunkach pracy, wzorcowanie, stabilność prowadzenia filamentu, drgania oraz zabrudzenie układu optycznego. Osobno określa się zdolność wykrywania krótkich defektów geometrycznych.

Dla prędkości liniowej v i częstotliwości odczytu f odległość między kolejnymi próbkami wynosi w przybliżeniu Δx = v/f. Przy 60 m/min filament przemieszcza się z prędkością 1000 mm/s: próbkowanie 100 Hz daje odstęp około 10 mm, a 1000 Hz około 1 mm. Jest to przykład teoretyczny. Wykrywalność pojedynczego zgrubienia zależy ponadto od czasu akwizycji, filtrów i przyjętego kryterium alarmowania.

Automatyczna regulacja średnicy: bilans materiału, odciąg i PLC

Pomiar inline może służyć operatorowi, uruchamiać alarmy albo pracować w zamkniętej pętli regulacji średnicy. W trybie closed loop sterownik porównuje zmierzony wymiar z wartością zadaną i koryguje prędkość odciągu. Pompa stopu i odciąg realizują różne funkcje: pierwsza stabilizuje strumień zasilający głowicę, drugi zmienia rozciągnięcie włókna, a tym samym jego przekrój. Stabilna regulacja wymaga odpowiedniego zestrojenia obu części procesu.

Co łączy wydajność wytłaczarki z prędkością linii?

Bilans masowy wyrobu w warunkach pomiaru ma postać ṁ = ρ_f · A · v, gdzie ṁ to strumień masowy, ρ_f – gęstość schłodzonego filamentu, A – pole przekroju, a v – prędkość liniowa. Dla przekroju kołowego d = √(4ṁ/(πρ_fv)). Do obliczeń należy zastosować spójne jednostki i gęstość właściwą dla analizowanego materiału.

Strumień objętościowy odniesiony do warunków pomiaru wynosi Q_f = ṁ/ρ_f = A · v. Strumień objętościowy gorącego stopu należy obliczać z jego własną gęstością. Rozróżnienie to jest istotne przy porównywaniu wydajności pompy stopu z prędkością gotowego filamentu.

Przykład obliczeniowy: dla 10 kg/h oraz przyjętej ilustracyjnie gęstości schłodzonego tworzywa 1,24 g/cm³ prędkość wynosi około 55,9 m/min dla 1,75 mm i 21,1 m/min dla 2,85 mm. Są to wyniki bilansu masowego, a nie deklarowane osiągi konkretnej linii. O rzeczywistym punkcie pracy decydują również warunki chłodzenia, stabilność wypływu, dopuszczalne naprężenia włókna i zdolność utrzymania tolerancji.

Równanie pokazuje również czułość regulacji. Przy stałym strumieniu masowym i gęstości d jest odwrotnie proporcjonalne do pierwiastka z prędkości odciągu. Wzrost prędkości o 1% daje w modelu spadek średnicy o około 0,5%, czyli około 0,009 mm przy nominalnych 1,75 mm. Dla niewielkich zmian można zapisać Δd/d ≈ 0,5 · (Δṁ/ṁ − Δv/v). Oznacza to, że zmiany wydajności stopu i prędkości odbioru oddziałują na ten sam wynik pomiaru.

Opóźnienie transportowe i stabilność pętli regulacji

Po korekcie odciągu zmieniony odcinek filamentu musi dotrzeć ze strefy formowania do głowicy pomiarowej. Orientacyjny czas transportu opisuje τ ≈ L/v, gdzie L jest długością drogi, a v prędkością liniową. Przy 2 m i 60 m/min czas wynosi około 2 s. Rzeczywista odpowiedź układu obejmuje dodatkowo dynamikę przepływu, rozciągania i chłodzenia.

Przy uruchamianiu układu PLC dobiera się filtrację sygnału i parametry regulatora, uwzględniając to opóźnienie, zakres prędkości odciągu, ograniczenie szybkości zmian oraz bezpieczny powrót do nastaw operatora. Należy też przewidzieć reakcję na brak wiarygodnego pomiaru. Zbyt agresywne sterowanie może wywołać okresowe wahania średnicy zamiast je tłumić.

W konfiguracjach linii SiTech3D wyposażonych w odpowiednią automatykę pomiar może regulować średnicę w trybie closed loop. Przy większych strumieniach tworzywa, np. w linii LE-1S 45 mm z pompą P-72, bilans wydajności, długości chłodzenia i prędkości odbioru staje się szczególnie ważny dla doboru konfiguracji całego stanowiska.

Jak wykorzystać przebieg średnicy do diagnozowania procesu?

Przebieg średnicy najlepiej analizować razem z temperaturą i ciśnieniem stopu, obrotami wytłaczarki i pompy, prędkością odciągu, warunkami chłodzenia oraz sygnałami z magazynu filamentu i nawijarki. Charakter odchylenia pomaga wskazać miejsce, od którego należy rozpocząć diagnostykę.

Zestawienie ma charakter diagnostyczny: podobny objaw może mieć kilka przyczyn. Przebiegi z różnych miejsc układu trzeba porównywać z uwzględnieniem czasu transportu materiału. Wtedy wzrost ciśnienia w głowicy i zmiana średnicy mogą zostać odniesione do tego samego fragmentu filamentu, a nie do dwóch przypadkowych chwil na osi czasu.

Od pomiaru inline do dokumentacji jakości szpuli

Średnia średnica, obliczona nawet z dużej liczby próbek, może ukryć lokalne zgrubienia i przewężenia. Rejestracja przebiegu geometrii wzdłuż wyrobu pozwala określać liczbę przekroczeń, długość odcinków poza tolerancją, ich położenie oraz zmienność wymiarów kierunkowych. Zakres tych informacji zależy od wyposażenia pomiarowego i konfiguracji rejestracji danych.

EdgeMetric 360 rozwija nadzór nad geometrią o analizę profilu, kontrolę w wielu osiach oraz wykrywanie lokalnych zgrubień i przewężeń. W zależności od wersji możliwe są alarmy, integracja z automatyką i wsparcie regulacji procesu. Opcjonalny SpoolTrace przypisuje dane pomiarowe do konkretnej szpuli i pozycji na długości filamentu, tworząc podstawę jej indywidualnej dokumentacji jakości.

Takie przypisanie wymaga informacji o długości przesuwanego filamentu, identyfikatorze szpuli oraz zdarzeniach rozpoczęcia i zakończenia nawijania. Jeśli pomiędzy pomiarem a nawijarką pracuje magazyn grawitacyjny, trzeba uwzględnić zmienną ilość materiału zgromadzonego w buforze. Dzięki temu lokalizacja defektów na szpuli wynika z rzeczywistego przemieszczenia produktu.

Mapa jakości pomaga porównywać kolejne szpule, śledzić zaburzenia procesu i podejmować decyzje odbiorowe. Dokumentuje zmierzone parametry geometryczne produktu. Ocena innych cech, na przykład właściwości mechanicznych wydruków, pozostaje odrębnym zadaniem badawczym.

Dobór wytłaczarki i pomiaru do zadania technologicznego

O konfiguracji pomiarowej decydują wymagania wyrobu: materiał, średnica nominalna, tolerancje, dopuszczalna owalizacja, planowany strumień masowy, prędkość linii i zasady dokumentowania jakości. Układ optyczny, chłodzenie oraz odciąg dobiera się równocześnie, ponieważ wpływają na możliwość prowadzenia procesu przy wymaganej geometrii.

Linie jednoślimakowe 32 i 45 mm

LE-1SF 32 mm z pompą P-36 stanowi rozwiązanie do rozwijania i prowadzenia procesu wytłaczania filamentu z kontrolą jego średnicy. Dla większych strumieni materiału dostępna jest konfiguracja z LE-1S 45 mm i pompą P-72. Oba układy łączą uplastycznianie z formowaniem i kontrolą wymiarową; wybór zależy od materiału, wymaganej prędkości odbioru i możliwości chłodzenia. Dla odbiorcy istotna jest stabilność wyrobu w przewidzianym punkcie pracy, a nie sama maksymalna wydajność wytłaczarki.

Układ dwuślimakowy do opracowywania formulacji

Gdy zadanie obejmuje mieszanie składników, dyspersję dodatków lub badanie wpływu konfiguracji ślimaków na jakość stopu, odpowiednim punktem wyjścia jest laboratoryjna linia LE-2CC 2×24 mm. Przełączalna praca współbieżna i przeciwbieżna oraz dzielony cylinder poszerzają zakres badań materiałowych. Otrzymany filament można oceniać pod względem wymiarów i stabilności procesu formowania, porównując różne receptury i układy ślimaków.

Koekstruzja rdzeń–płaszcz: osobna kontrola struktury wewnętrznej

Linia dwukomponentowa SiTech3D wykorzystuje dwa niezależne tory LE-1SF 32 mm, każdy z własną pompą P-36, oraz głowicę koekstruzyjną projektowaną lub integrowaną do konkretnej aplikacji. Pomiar zewnętrzny pozwala kontrolować średnicę gotowego filamentu. Udział rdzenia i płaszcza zależy dodatkowo od rzeczywistych strumieni objętościowych obu stopów, ich właściwości reologicznych i geometrii głowicy.

Stała średnica zewnętrzna może współistnieć ze zmianą proporcji rdzenia i płaszcza. Dlatego specyfikacja takiego produktu obejmuje osobno wymagania dla obrysu zewnętrznego oraz metodę oceny wewnętrznej struktury. To ważne przy doborze układu pomiarowego i sposobu prowadzenia prób technologicznych.

Jak przygotować wymagania dla linii i systemu kontroli jakości?

Przed doborem urządzeń należy zdefiniować warunki procesu i kryteria odbioru filamentu. Podstawowa specyfikacja powinna zawierać:

• Wyrób: rodzaj polimeru i recepturę, średnicę nominalną, tolerancję oraz dopuszczalne odchylenia kształtu przekroju.
• Proces: oczekiwany zakres wydajności masowej, prędkość linii, sposób przygotowania materiału oraz warunki chłodzenia.
• Metrologię: liczbę osi, wymaganą niepewność pomiaru, długość najmniejszego istotnego defektu oraz kryteria alarmowania.
• Automatykę: obserwację lub regulację closed loop, wielkość regulowaną, ograniczenia prędkości, sposób zmiany trybów i zapis parametrów.
• Jakość szpuli: identyfikację wyrobu, zapis przebiegu wymiaru na długości oraz zasady postępowania z odcinkami poza tolerancją.

Taka specyfikacja pozwala zaplanować próby materiałowe, wyznaczyć punkt pracy i określić kryteria odbioru linii. Cały proces formowania oraz zadania poszczególnych urządzeń omawiamy szerzej w artykule Linie do produkcji i badań filamentu do drukarek 3D.

SiTech3D projektuje i integruje układ uplastyczniający, pompę stopu, głowicę, chłodzenie, pomiar online, odciąg i nawijanie jako współpracujący proces. Dobór konfiguracji warto rozpocząć od wymagań materiału i geometrii gotowego filamentu. Na tej podstawie można wskazać odpowiednią linię do produkcji filamentu i określić, czy do nadzoru wystarczy miernik LDM, czy potrzebna będzie szersza analiza geometrii za pomocą EdgeMetric 360.