Controllo termico e di traiettoria integrato per l'ottimizzazione della stampa 3D

This work aim to study in depth and optimize the process that leads to a 3D print based on FDM technology, operating on the slicing process, motion generation and thermal control of the printer’s motors. FDM technology is one of the most important in the 3D printing field, being the one used by the more popular printers in the world. These are typically three-axis cartesian robots provided with an heated extruder that permits the fusion and depositation of a polymeric thread. In spite of the versatility, the precision and the cheapness of this kind of printer, it is not totally lacking problems. Overlooking the many issues intrinsic to the technological process, this work focus on the rationalization of the trajectory generation and on the motor heating control. In order to achieve these goals, an electrodynamic model of the printer was realized in Simulink®, so that we could simulate the behavior of the machine in different conditions. Also some alternative solutions for the process that leads to the generation of instructions that have to be given to the machine were implemented. In particular, new solutions for trajectory generation were searched and a control able to downgrade the performance of the motors was realized to prevent overheating. The work also includes an overview on the state of the art of 3D printing processes and on the algorithms used by the softwares they are based on.

Questa tesi si pone come obiettivo lo studio approfondito e l’ottimizzazione di un processo di stampa 3D basato sulla tecnologia della modellazione a deposizione fusa (in seguito indicata anche con FDM dall’inglese Fused Deposition Modeling), agendo sulla fasi di slicing e di generazione della traiettoria e sul controllo termico dei motori. La tecnologia FDM è di particolare interesse, in quanto le stampanti più diffuse al mondo si basano su di essa. Queste, come anche il sistema in esame, sono tipicamente dei robot cartesiani a 3 assi dotati di un ugello che permette di fondere e depositare un polimero. Nonostante la versatilità, la precisione e la relativa economicità abbiano reso questa tipologia di stampanti 3D molto popolari e abbiano rivoluzionato il mondo della prototipazione rapida si possono riscontrare diverse problematiche durante il loro utilizzo. In particolare, tralasciando le diverse criticità intrinseche al processo tecnologico, ci si concentrerà sulla razionalizzazione della traiettoria generata e sul controllo del riscaldamento dei motori. Per raggiungere questi obiettivi si è realizzato un modello dinamico, elettrico e termico del sistema, che permette di simulare in ambiente Simulink® l’utilizzo della stampante in diverse situazioni e i loro effetti, e si sono implementate delle soluzioni alternative in alcuni dei passaggi che portano dal file digitale alla generazione delle istruzioni per la macchina. In particolare si sono cercate soluzioni diverse da quelle presenti in letteratura nelle modalità di generazione della traiettoria nel caso di parti del modello separate e si è proposto un controllo che permette di degradare le prestazioni della macchina in caso di surriscaldamento. Il lavoro include anche una panoramica sullo stato dell’arte della stampa 3D e sul funzionamento degli algoritmi usati dai software coinvolti in questo tipo di processi.