name: Управление температурой при экструзии полимерного материала в процессе трехмерной печати
keyword_list: вихретоковый резонансный метод измерения температуры ферромагнитного сопла индукционный нагрев математическое моделирование экструзия полимеров Трехмерная печать по технологии послойного наплавления
abstract: Объект исследования – система автоматического управления температурой в процессе трехмерной печати по технологии послойного наплавления.
  Цель работы – повышение физико-механических свойств синтезированных по технологии послойного наплавления изделий посредством разработки метода управления температурой нагреваемого токами высокой частоты сопла малой массы при экструзии полимерного материала.
  Методы исследования: в ходе выполнения работы использовались методы теории вероятностей и математической статистики; положения теории электромагнитного поля, теоретических основ электротехники и автоматического управления; математическое моделирование. Численная реализация математической модели индукционного нагрева сопла осуществлялась с использованием прикладного пакета программного обеспечения ComsolMultiphysics. Моделирование электрических цепей осуществлялось в программном пакете Multisim, контура управления температурой сопла в приложении Simulink пакета Matlab. Поиск экспериментальных закономерностей в формировании измерительного сигнала производился в программном пакете MathCAD. 
  Оборудование: лабораторный стенд, состоящий из лабораторного источника питания, микроконтроллера, генератора высоких частот на основе мостовой транзисторной схемы, к которому подсоединен последовательно-параллельный колебательный контур топологии LCL, включающий индуктор с соплом малой массы для трехмерной печати, а также измерительной цепи, включающей вторичную обмотку индуктора, которая соединена с диодным ограничителем уровня сигнала через последовательное сопротивление, который подсоединен ко входам интегрированного операционного усилителя с задающими резисторами, выход которого подсоединен ко входу аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера. Установка для послойного наплавления, с которой интегрировано устройство, реализующее разработанный метод управления температурой сопла. Измерительное оборудование в составе двухканального измерителя температуры с термопарами K и J типа, эталонного измерителя температуры на платиновых резисторах, RLC-метра, осциллографа.
  Результаты, их теоретическая и практическая значимость: 
  1. Проведен анализ конструктивно-технологических особенностей традиционных экструдеров, технологических методов обеспечения качества синтеза изделий по технологии послойного наплавления (FDM/FFF). Показана целесообразность разработки метода управления температурой сопла в процессе послойного наплавления с применением метода индукционного нагрева сопла малой массы. 
  2. Разработана математическая модель нагрева сопла для послойного наплавления при экструзии полимерного материала, отличающаяся совместным учетом электромагнитных и тепловых процессов при индукционном нагреве сопла, позволяющая определить параметры индуктора и сопла как объекта управления для повышения равномерности нагрева и обеспечения высоких динамических характеристик процессов нагрева и охлаждения сопла.
  3. Разработан модифицированный вихретоковый резонансный метод измерения температуры сопла малой массы для послойного наплавления, отличающийся совместным анализом фазовых и амплитудных характеристик тока цепи индуктора, позволяющий производить измерение с высокой скоростью и точностью в непосредственной близости от полимерного материала в реальном масштабе времени при нагреве сопла токами высокой частоты. Получена регрессионная модель формирования измерительного сигнала, отличающаяся совместным учетом влияния температуры сопла и потребляемой индуктором мощности на фазовые и амплитудные характеристики тока цепи индуктора, позволяющая осуществлять преобразование регистрируемых значений измерительного сигнала в температуру сопла с высокой точностью.
  4. Разработан метод управления температурой сопла малой массы в процессе послойного наплавления с применением результатов математического моделирования и разработанного метода измерения температуры, отличающийся учетом нелинейного характера зависимости температуры сопла от величины управляющего воздействия, позволяющий обеспечить постоянное качество регулирования в доступном диапазоне рабочих температур сопла, снизить погрешность управления температурой сопла экструдера с 20 до 0.2 °C и повысить скорость управления более чем в 6 раз.
  Разработанный метод управления позволяет улучшить физико-механические свойства синтезируемых изделий.
  Теоретическая значимость исследования обоснована тем, что доказана возможность совместного использования фазовых и амплитудных характеристик тока цепи индуктора для косвенного измерения и управления температурой объекта малой массы в реальном масштабе времени при нагреве объекта токами высокой частоты;
  разработана математическая модель, связывающая электромагнитные и тепловые процессы индукционного нагрева сопла для послойного наплавления при экструзии полимерного материала, позволяющая определить параметры сопла и индуктора как объекта управления;
  изложены результаты численных исследований распределения температуры сопла малой массы для послойного наплавления при различных скоростях экструзии материала, которые позволили оценить влияние скорости экструзии на скорость охлаждения сопла малой массы и на параметры сопла как объекта управления; предложен оригинальный метод синтеза системы автоматического управления температурой, состоящий в последовательном применении математических моделей источника управляющих воздействий и объекта управления с целью определения коэффициентов передачи объекта управления для всего диапазона уровней мощности; раскрыты особенности формирования обратной связи при управлении температурой объекта малой массы в процессе его нагрева токами высокой частоты, и управления температурой объекта малой массы, а именно влияние на качество регулирования нелинейной реакции объекта управления на управляющее воздействие при работе на широком диапазоне температур;
  изучены закономерности формирования измерительного сигнала (зависимость фазовых и амплитудных характеристик тока цепи индуктора от температуры сопла и потребляемой индуктором мощности), амплитудная и фазовая частотные характеристики резонансного контура топологии LCL с индуктором;
  Практическая значимость исследования подтверждается тем, что разработанная математическая модель индукционного нагрева сопла при экструзии полимера применима для сопел и индукторов различных форм и размеров; внедрено устройство, реализующее разработанный метод управления, на предприятии «Ф2 Инновации», что обеспечило улучшение физико-механических свойств наплавленных изделий в среднем на 20%; разработанный модифицированный вихретоковый резонансный метод применим для контроля и измерения температуры широкого спектра изделий из ферромагнитных материалов при их нагреве токами заданной частоты; представлены предложения по дальнейшему совершенствованию технологии послойного наплавления за счет регулирования термического цикла процесса наплавления при помощи разработанного метода управления температурой сопла и численного исследования полей температур наплавляемых слоев изделия.
  Области применения: медицинская, авиационная, ракетно-космическая, автомобилестроительная и прочие наукоемкие отрасли промышленности, применяющие методы аддитивного производства термопластичных изделий ответственного назначения и быстрого прототипирования с целью повышения качества продукции, экономической эффективности производства, а в частности одиночного и мелкосерийного производства изделий сложной формы.
chairman_dissertation_council.name: Александр
chairman_dissertation_council.surname: Южаков
chairman_dissertation_council.patronymic: Анатольевич
chairman_dissertation_council.position: Заведующий кафедрой автоматики и телемеханики
chairman_dissertation_council.degree: Доктор технических наук
chairman_dissertation_council.rank: Профессор
chairman_dissertation_council.wos_research_id: 0
chairman_dissertation_council.scopus_author_id: 55130547900
chairman_dissertation_council.rinc_id: 487107
chairman_dissertation_council.territory: РОССИЯ
organization_supervisor.name: Анатолий
organization_supervisor.surname: Ташкинов
organization_supervisor.patronymic: Александрович
organization_supervisor.position: и.о.ректора
organization_supervisor.territory: РОССИЯ
rubrics.code: 28.17.19
rubrics.name: Математическое моделирование
rubrics.code: 90.27.32
rubrics.name: Теплофизические и температурные измерения
rubrics.code: 50.43.17
rubrics.name: Системы автоматического управления, системы автоматического регулирования и системы автоматического контроля для дискретных процессов
oecds.code: 02.02.IQ
oecds.name: ENGINEERING, ELECTRICAL & ELECTRONIC
oecds.code: 02.03.DT
oecds.name: THERMODYNAMICS
oecds.code: 02.02.AC
oecds.name: AUTOMATION & CONTROL SYSTEMS
speciality_codes.name: Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)
speciality_codes.code: 05.13.06
supervisors.fio: Трушников Д.Н.
supervisors.scientific_degree: Доктор технических наук
supervisors.speciality_code: Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)
supervisors.responsible_type: Научный руководитель
opponents.fio: Мурыгин А.В.
opponents.scientific_degree: Доктор технических наук
opponents.speciality_code: Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)
opponents.responsible_type: Оппонент
opponents.fio: Щербаков, А.В.
opponents.scientific_degree: Доктор технических наук
opponents.speciality_code: Электротехнология
opponents.responsible_type: Оппонент
protection_organization.short_name: ФГАОУ ВО "ПЕРМСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ"  ФГАОУ ВО "ПНИПУ"  "ПНИПУ"
protection_organization.name: ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ "ПЕРМСКИЙ  НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ"
protection_organization.ogrn: 1025900513924
protection_organization.supervisor_name: АНАТОЛИЙ
protection_organization.supervisor_surname: ТАШКИНОВ
protection_organization.supervisor_patronymic: АЛЕКСАНДРОВИЧ
protection_organization.organization_type: Организация
protection_organization.okogu: Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
protection_organization.okopf: Федеральные государственные бюджетные учреждения
author_organization.short_name: ФГАОУ ВО "ПЕРМСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ"  ФГАОУ ВО "ПНИПУ"  "ПНИПУ"
author_organization.name: ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ "ПЕРМСКИЙ  НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ"
author_organization.ogrn: 1025900513924
author_organization.supervisor_name: АНАТОЛИЙ
author_organization.supervisor_surname: ТАШКИНОВ
author_organization.supervisor_patronymic: АЛЕКСАНДРОВИЧ
author_organization.organization_type: Организация
author_organization.okogu: Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
author_organization.okopf: Федеральные государственные бюджетные учреждения