CONTROLUL EXTRUDĂRII TERMOPLASTICE LA IMPRIMAREA 3D PROIECT DE DIPLOMĂ Autor: Bogdan -Ioan BUSTAN Conduc ător științific: prof.dr .ing. Petru DOBRA… [609859]

FACULTATEA DE AUTOMATIC Ă ȘI CALCULATOARE
2017

CONTROLUL EXTRUDĂRII TERMOPLASTICE LA
IMPRIMAREA 3D

PROIECT DE DIPLOMĂ

Autor: Bogdan -Ioan BUSTAN

Conduc ător științific: prof.dr .ing. Petru DOBRA

FACULTATEA DE AUTOMATIC Ă ȘI CALCULATOARE

DECAN
Prof.dr.ing. Liviu MICLEA Vizat,

DIRECTOR DEPARTAMENT AUTOMATIC Ă
Prof.dr.ing. Honoriu VĂ LEAN

Autor : Bogdan -Ioan BUSTAN

Controlul Extrudării Termoplastice la Imprimarea 3D

1. Enunțul temei: Controlul extruderului și al patului de imprimare la o imprimantă
3D ce utilizează axe CNC.
2. Conținutul proiectului: Pagina de prezentare , Declara ție privind autenticitatea
proiectului, S inteza proiectului , Cuprins, Introducere , Studiu bibliografic , Analiză,
proiectare, implementare, Concluzii, Bibliografie, Anexe.

3. Locul documentației: Universitatea Tehnic ă din Cluj -Napoca

4. Consultanți: ing. Iosif Ovidiu Galiș , ing. Petru Ștefan Sabău, ing. Raul Radu Prodan

5. Data emiterii temei: 30.10.2017

6. Data predării: 11.07.2017

Semnătura autorului

Semn ătura conduc ătorului științific

FACULTATEA DE AUTOMATIC Ă ȘI CALCULATOARE

Declarație pe proprie răspundere privind
autenticitatea proiectului de diplomă

Subsemnatul(a) Bogdan -Ioan BUSTAN , legitimat(ă) cu CI/BI seria CJ
nr. 069953 , CNP [anonimizat] ,
autorul lucrării:
Controlul Extrudării Termoplastice la Imprimarea 3D

elaborată în vederea susținerii examenului de finalizare a studiilor de licență
la Facultatea de Automatică și Calculatoare ,
specializarea Automatică și Informatică Aplicată ,
din cadrul Universității Tehnice din Cluj -Napoca,
sesiunea Iulie 2017 a anului universitar 2016 -2017 ,
declar pe proprie răspundere, că această lucrare este rezultatul propriei activități
intelectuale, pe baza cercetărilor mele și pe baza informațiilor obținute din surse care au
fost citate, în textul lucrării, și în bibliografie.
Declar, că această lucrare nu conține porțiuni plagiate, iar sursele bibliografice au
fost folosite cu respectarea legislației române și a convențiilor internaționale privind
drepturile de autor.
Declar, de asemenea, că această lucrare nu a mai fost prezentată în fața unei alte
comisii de examen de licență.
In cazul constatării ulterioare a unor declarații false, voi suporta sancțiunile
administrative, respectiv, anularea examen ului de licență .

Data Bogdan -Ioan BUSTAN

FACULTATEA DE AUTOMATIC Ă ȘI CALCULATOARE

SINTEZA
proiectului de diplomă cu titlul:
Controlul Extrudării Termoplastice la Imprimarea 3D

Autor: Bogdan -Ioan BUSTAN
Conduc ător științific: prof.dr .ing. P etru DOBRA

1. Cerințele temei:
Să se realizeze controlul extrudării termoplastice la o imprimantă 3D .
2. Soluții alese:
Implementarea controlului folosind un microcontroller Arduino UNO și circuite
de forță cu relee pentru controlul bipozițional .
3. Rezultate obținute:
Temperaturi ce variază în jurul referinței în funcție de histereză cu erori maxime
de 12,5 % față de referință .
4. Testări și verificări:
Testele s -au realizat concomitent, comanda realizaându -se din interfața SCADA ,
validându -se toate componentele proiectului.
5. Contr ibuții personale:
Proiectarea, implementarea și testarea întregului sistem de control din punct de
vedere hardware și software.
6. Surse de documentare:
Cărți, documentații și fișe tehnice, articole și suporturi de curs.

Semnătura autorului

Semn ătura conduc ătorului științific

1
Cuprins
1 INTRODUCERE ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. 2
1.1 CONTEXT GENERAL ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………….. 2
1.2 OBIECTIVE ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. …… 3
1.3 SPECIFICAȚII ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. … 3
2 STUDIU BIBLIOGRAFIC ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………….. 4
2.1 IMPRIMAREA 3D STEREOLITOGRAFICĂ ………………………….. ………………………….. ………………………….. . 4
2.2 IMPRIMAREA 3D FOLOSIND SINTETIZARE A LASER SELECTIVĂ ………………………….. ………………………….. ….. 5
2.3 IMPRIMAREA 3D CLASICĂ ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………… 5
2.4 IMPRIMAREA STRATIFICA TĂ PRIN LAMINARE ………………………….. ………………………….. …………………….. 6
2.5 IMPRIMAREA 3D MULTI -JET ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………… 6
2.6 IMPRIMAREA 3D PRIN EXTRUDARE TERMO PLASTICĂ ………………………….. ………………………….. …………… 7
2.7 SENZORI DE TEMPERATUR Ă – TERMISTORI NTC ………………………….. ………………………….. ………………… 9
2.8 MOTARELE ELECTRICE PA S-CU-PAS ………………………….. ………………………….. ………………………….. …. 10
2.9 COMUNI CAȚIE OPC ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………….. 12
2.10 SISTEMELE SCADA ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………… 13
2.11 MICROCO NTROLLERELE ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………. 14
3 ANALIZĂ, PROIECTARE, IMPLEM ENTARE ………………………….. ………………………….. …………………. 16
3.1 SCHEMA BLOC A SISTEMU LUI ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………… 16
3.2 IMPLEMENTARE HARDWARE ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………… 17
3.2.1 Sistemul de axe cu comandă numerică pentru pozi ționarea extruderului …………………….. 17
3.2.2 Extruderul ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………. 18
3.2.3 Patul de i mprimare ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………….. 20
3.2.4 Filamentul termoplastic ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……. 21
3.2.5 Termistorii NTC 10 kΩ, respectiv 100 kΩ ………………………….. ………………………….. …………. 22
3.2.6 Driverul A4988 ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………… 22
3.2.7 Etaj d e amplificare ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………… 24
3.2.8 Microcontroller ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………….. 27
3.2.9 Ecran LCD cu comunicație I2C………………………….. ………………………….. …………………………. 31
3.2.10 Montaj electric implementat ………………………….. ………………………….. …………………….. 33
3.3 IMPLEMENTARE SOFTWARE ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………. 37
3.3.1 Comunicația OPC ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………….. 37
3.3.2 Aplicația SCADA ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………. 40
3.3.3 Implementare microcontroller ………………………….. ………………………….. ……………………….. 43
4 CONCLUZII ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. …. 47
4.1 REZULTATE ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. … 47
4.1.1 Validarea circuitului ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………. 47
4.1.2 Validarea comunicației OPC și a interfeței SCADA ………………………….. …………………………. 48
4.1.3 Validarea motorului pas -cu-pas ………………………….. ………………………….. ……………………… 48
4.1.4 Validarea controlului temperaturilor ………………………….. ………………………….. ………………. 48
4.2 DIREC ȚII DE DEZVOLTARE ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………….. 50
5 BIBLIOGRAFIE ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………………. 51
ANEXE ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………….. 53

Introducere
2
1 Introducere
1.1 Context general
Imprimarea 3D este o tehnică apărută la mijlocul secolului trecut fiind folosită
pentru mult timp în cadru restrâns , cu aplicații în companii le de specialitate și cercetare.
În zilele noastre accesul la această tehnologie crește de la o zi la alta , dezvoltându -se o
adevărată cultură hobby în jurul imprimării 3D. Cu aplicații în industria auto, medicală,
aerospațială, arhitectură, chiar și cea textilă printre multe altele, acestei tehnologii îi este
sortit un viitor promițător migrând filosofia de producție din a înlătura material pentru
a obține obiectele dorite în a adăuga material, strat cu strat.
Imprimarea 3D începe întotdeauna de la un model 3D ce este apoi împărțit în
straturi ce pot fi imprimate folosind diverse tehnici. Printre cele mai cunoscute tehnici
sunt stereolitografia, extrudarea termoplastică sau sintetizarea laser selectivă. Lucrarea
de față se concentrază aspura tehnici i de extrudare termoplastică folosind un filament
dintr -un polimer sensibil la căldură. Pentru a crea aceste modele 3D sunt necesare
sisteme CAD specializate cum ar fi AutoCAD, SolidWorks sau SkecthUp. Transcrierea
unui model în straturi de obieci se reali zează cu un sistem CAD -CAM cum ar fi Cura sau
Slicer .
Această tehnologie are avantajele și dezavantajele ei. Printre caracteristicile
pozitive putem enumera viteza de prototipare, ce scade mult Time -To-Market -ul pentru
companiile de producție , capacitatea ridicată de personalizare a modelelor, modele mai
complexe, nevoia de unelete puține și nu în ultimul rând, economia de material. Din
punctul de vedere al dezvantajelor am putea me nționa gama îngustă de materiale
disponibile la mometul actual, costuri mari la producția în serie, rezistență mai scăzută
în timp și precizie mai scăzută.
Evoluția acestui domeniu însă oferă soluții din ce în ce mai precise, unele tehnici de
imprimare ajungând să rivalizeze sistemele clasice CNC cum ar fi frezarea sau strunjirea .
Efortul acestei lucrari este controlul extrudării termoplastice folosind axe cu
comandă numrică pentru poziționarea capului de imprimare , cunoscut și ca extruder .
Acest proces presupune încălzirea unui bloc de metal, ce joacă rol de reșou, pentru
topirea plasticului folosit ca materie primă. Pentru a îmbunătății calitatea imprimării
este necasar a fi controlat și temperatura unui pat încălzit ce joacă rolul de masă de
lucru pentru imprimanta 3D. Aplicația de față poate fi considerată multidisciplinară
deoa rece reunește concepte din Sisteme și Microcprocesoare, Dispozitice și Circuite
Electronice, Măsurători Electrice și Senzori, Identificarea Sistemelor și altele, fiind
necesare cunoștințe atât de hardware cât și de software pentru proiectarea și
implementa rea acestuia.

Introducere
3 Lucrarea are un studiu bibliografic pentru a familiariza citi torul cu tehnologia
impr imării 3D și componentele hardware și software necesare implementării. Apoi se
oferă o analiză generală a sistemului, pașii de proiectare și imple mentare, fiind apoi
testat și validat în concluziile lucrării.
1.2 Obiective
 Controlul temperaturii extruderului și a patului de imprimare;
 Controlul motorului pas -cu-pas în funcție de cantitatea de filament;
 Comunicația prin OPC a microcontrollerului cu axele CNC comand ate prin
PLC ;
 Realizarea unei interfețe grafice SCADA pentru controlul procesului ;
 Validarea sistemului proiectat din punct de vedere hardware și software
precum și a metodei de control
1.3 Specifica ții
Controlul temperaturii extruderului și a patului de imprimare se va realiza prin
control bipozițional folosind circuite de forță cu relee pentru tensiuni și curenți mari.
Folosind un microcontroller și un etaj de amplificare se vor acționa două relee în f uncție
de referință și histereză pentru menținerea unei temperaturi propice pentru extrudarea
termoplastică.
Controlul motorului pas -cu-pas se va face cu ajutorul unui circuit electronic de tip
driver , fiind comandat în impulsuri, pentru extrudarea cantității necesare de filament .
Luând în considerare elementele constructive ale acestuia și un ansamblu de roți de
angrenaj, se va realiza un model de control în buclă deschisă, tipic motoarelor pas -cu-
pas.
Comunicația prin OPC (Open Platform Communicati on) între microcontroller și
PLC fiind posibilă sincronizarea între sistemul de poziționare și cel de control al
temperaturii, exemplificând capacitatea acestui protocol de a reuni componente de
control diametral opuse cum ar fi microcontrollerul de mici d imensiuni cu PLC -ul
industrial.
Realizarea unei interfețe SCADA se va face prin Visual Designer, un software
specializat SCADA ce poate utiliza protocolul de comunicație OPC, făcând legătura între
om și proces . Pentru acesată aplicație soluția SCADA va ave a ecrane de monitorizare și
control al parametrilor de extrudare și poziționare.
Validarea sistemului se va face pe componente exemplificând funcționalitatea
circuitelor de comandă și de forță, a comunicației OPC și a aplicației SCADA precum și
rezultatele practice la controlul temperaturii.

Studiu bibliografic
4
2 Studiu bibliografic
În ac est capitol vor fi abordate sisteme și componente similare cu cel prezentat în
acest proiect.
2.1 Imprimarea 3D stereolitografică
Tehnica de imprimare 3D stereolitografică se bazează pe reacția polimerilor foto –
sensibili la lumină, laser și radiații ultraviolete, cunoscută și sub denumirea de
fotopolimerizare. Acest proces presupune polimer izarea unei rășini foto -polimeric e cu
ajutorul unui fasciul laser care urmărește secțiun ea transversală a u nui model 3D.
Trecerea fascicului leagă materialul în timp ce restul rămâne în formă fluidă . După ce
întreaga secțiune a fost parcursă, platforma pe care se imprimă obiectul este coborâtă cu
o distanță egală cu grosimea unui strat al modelului și un nou rând de foto -polimer este
întins pe suprafața de imprimare . Această etapă se repetă până când întregul model este
construit. Grosimea uzuală a unui strat este 50 – 200 µm. Obiectul final este apoi așezat
sub un fasciul de radiații ultraviolete pentru a completa procesul de polimerizare și
pentru a întări structura acestuia . Imprimarea stereolitografică are o precizie uzuală
între 0,1% și 0,5% din dimensiunea piesei. [1] [2]

Figura 2.1. Imprimarea 3D stereolitografică

Studiu bibliografic
5 2.2 Imprimarea 3D folosind sintetizarea laser selectivă
Necesitatea proto tipării rapide în industrie a dus la apariția unei metode de
confecționare a obi ectelor ușoare rezistente la intemperii și soluții chimice ce se bazează
pe materiale de tip pudră ce se tope sc la contactul cu un fascicul laser. Spre deosebire de
imprimarea stereolitografică, sintetizarea laser selectivă nu este limitată la un singur ti p
de material , folosindu -se chiar și aluminiu . La fel ca la tehnica de imprimare folosind
foto -polimeri, un fascicul laser parcurge un traseu, căldura imens ă legând pudra în calea
sa, în timp ce pudra neatinsă are rolul de suport al structurii. Această metodă este
recomandată pentru structuri ușoare din aluminiu deoarece economisește materialul iar
metoda de legare a pulberei nu folosește elemente toxice precu m lubrifianți sau lichizi
de răcire. Densitatea de imprimare depinde de puterea fascicului laser, spre exemplu la
o putere de 150 W și o viteză de parcurgere de de 50 mm/s se obține aproximativ 100%
densitate pentru un strat de 50 µm grosime. Precizia sin tetizării laser selectivă se află
între 25 – 400 µm, în funcție de dimensiune. [2] [3]

Figura 2.2. Imprimarea 3D folosind sintetizarea laser selectivă
2.3 Imprimarea 3D clasică
Dacă în cazurile anterioare materialul folosit trebuia încălzit folosind un fascicul
laser, variantele clasice de imprimare , accesibile publicului larg, folosesc adezivi pentru
construcția modelului. Din punct de vedere al materialului se poate folosi orice tip de
pudră. P rocesul de imprimare este similar cu sinteizarea laser selectivă doarece pudra
ce rămâne nelegată are rol de suport pentru obiectul creat. Adezivul este dispensat
asemenea cernelii într -o imprimantă ink -jet. Procesul de obținere al modelului este

Studiu bibliografic
6 rapid, fi ind folosid des la realizarea rapidă a prototipurilo r, imprimarea realizându -se de
aproximativ 40 de ori mai rapid decât alte tehnologii similare . [2]

Figura 2.3. Imprimarea 3D clasică
2.4 Imprimarea stratificată prin laminare
În cazul imprimării stratificate prin laminare nu mai avem de a face cu material
brut de tip pudră sau fluid ci cu fâșii de material solid, de obicei plastic, hârtie sau mai
puțin folosit, metal, ce se regăsesc pe role de unde imprimanta se alimentează. De obicei
materialele din plastic și hârtie au un înveliș de adeziv pentru a facilita procesul când
acestea sun t încălzite. Pentru formarea unui obiect o rolă încălzită este trecută peste
material, presându -l, strat peste strat, pe suprafața de lucru. Un fas ciul laser sau o lamă
controlată de un sistem de comandă taie materialul în forma dorită. După această etapă,
platforma pe care se regăsește obiectul este coborâtă iar o nouă bucată din fâșia de
material este întinsă peste suprafața de lucru. Odată încheia t procesul de imprimare
acesta este șlefuit și acoperit cu strat de lac pentru a întări structura acestuia și
rezistența la umezelă. Grosimea unui strat are de obicei într 0,05 – 0,5 mm. Partea
negativă a acestui procedeu este risipa de material. [2] [4] [5]
2.5 Imprimarea 3D multi -jet
Pentru a asigura imprimarea corectă a unui model este deseori necesar ca pe lângă
obiectul în sine să se imprime și suportul pentru acesta.

Studiu bibli ografic
7

Figura 2.4. Imprimarea stratificată prin laminare
Dacă la imprimarea 3D clasică și la cea folosind stratificarea laser selectivă
materialul nelegat avea rolul de suport în cazul imprimării multi -jet pe lângă obiectul de
interes se construiește și suportul acestuia. Procedeul este similar cu cel al imprimării
clasice , un polimer sau o ceară este pulverizată strat după strat, fiind scăldate sub un
fascicul de raze ultraviolete pentru întărirea cât mai rapidă după adeziunea la obiect.
Pulverizarea este foarte fină, picăturile având aproximativ 80 µm în diametru,
obținându -se rezultate precise folosind acest procedeu de imprimare. În medie,
straturile au înălțimea între 0,04 – 1 mm. După fiecare strat imprimat se poate ca ultimul
să fie parcurs de o lamă de niv elare, abia apoi fiind pornit procesul de întărire al
materialului folosind raze ultraviolete. Rezistența obiectului rezultat depinde de
procedeul și densitatea de umplere . După imprimare suportul auxiliar se poate înlătura
ușor fiind realizat dintr -un pol imer îndeajuns de puternic să susțină obiectul de interes
dat îndeajuns de fragil încăt să poată fi extras. [2] [5]
2.6 Imprimarea 3D prin extrudare termoplastică
Imprimarea 3D poate folosi ca material brut pudre, polimeri sau filamente din
plastic. Pentru imprimarea cu extrudare termoplastică avem de a face cu un sistem
mecanic uzual denumit extruder, format dintr -un motor electric, de obicei pas-cu-pas, și
un sistem de roți acționate de catre motor . Extruderul este alimentat cu material,
încălzindu -l printr -un radiator până la temperatura la care materialul devine fluid și
poate fi dispensat pe model, strat cu strat. Un avantaj al acestui tip de imprimare îl
reprezintă folosirea a puține substanțe, ieft ine și usor de procurat , deseori folosindu -se
doar un singur tip de filament pentru imprimarea obiectului de interes dar suportul
acestuia.

Studiu bibliografic
8
Figura 2.5. Imprimarea 3D multi -jet
În structura extruderului se regăsesc și diuzele cu un diametru uzual de 0,4 mm
prin care filamentul topit este aplicat pe model, acesta fiind de obcei prins e de radiator.
Precizia de realizare este relativ precisă, obținându -se rezultate mai bune doar în cazul
imprimării prin stereolitografie. [2] [5]

Figura 2.6. Imprimarea 3D prin extrudare termoplastică

Studiu bibliografic
9 2.7 Senzori de temperatură – Termistori NTC
Termistorul este un dispozitiv electronic semiconductor sensibil la variația
temperaturii. Rezistența sa variază într -o plajă largă de valori, spre exemplu de la 10 kΩ
la temperaura camerei până la câteva sute de Ω la temperaturi de peste 100 °C, aceștia
având un coeficient de temperatură negativ, aproximativ -4 până la -8 %/ °C. Variația
rezistivității este conformă curbelor din figura de mai jos. Termistorii se recomandă a fi
folosiți într -un domeniu util al acestor curbe unde există o pantă de variație
semnificativă. [6]

Figura 2.7. Curbele d e variație ale rezistenței unui termistor în funcție de
temperatură
Legea de variație a R T = f(T) fiind dată de relația:

(2.1)
unde R T și R 0 sunt rezistențele termisotrului la temperatura T, respectiv
temperatura de referință T 0 = 25 °C , iar β este o constantă determinată experimental
prin măsurarea rezistenței la două temperaturi dierite.

(2.2)
cu valori uzuale ale lui β între 2000 și 6000.
Finețea măsurării temperaturii folosind termistori stă în ecuația de cali brare, spre
exemplu relația Steinhart -Hart (2.3) , ce are trei coeficien ți, poate avea erori de până la
±1,5 °C în intervalul -20 – 50 °C.

(2.3)

Studiu bibliografic
10 unde T este temperatura în K, R este rezistența la temperatura T, iar A, B și C sunt
coefici enții Steinhar -Hart ce depind de modelul termistorului și zona de interes a
temperaturii.
În cazul în care cei trei parametrii necesari pentru relația (2.3) nu se cunosc se
poate folosi relația simplificată ce utilizează doar parametru β (2.4) .

(2.4)
unde T 0 este temperatura de referință, R este rezistența măsurată iar R 0 este
rezistența la temperatura camerei, T fiind temperatura de interes.

Figura 2.8. Termistor NTC
2.8 Motarele electrice pas -cu-pas
Motoarele pas -cu-pas sunt u n tip de motor electric ce se re găsesc în mai multe
ramuri ale ingineriei, fiind ușor de controlat, folosite în special în aplicații în care
poziționarea exactă și repetată este necesară. Motoarele pas -cu-pas sunt motoare fără
perii, de curent continuu, la care o r otație completă este impărțită într -un număr de pași.
Motorul poate fi ușor comandat fără un senzor de feedback, controlul acestuia fiind
realizat în buclă deschisă, cu rezultate exacte dacă sunt respectați parametrii de
funcționare referitoare la viteză ș i cuplu. Motorul este format dintr -un rotor magnetic și
un stator electromagnetic, pe rotor regăsindu -se polii. Când una dintre bobinele
statorul ui este energizat ă rotorul se rotește astfel încât să se alinieze cu ace asta,
procesul de energizare comandată repetându -se în secvențe pentru a roti motorul.
Motoarele pas -cu-pas pot fi unipolare sau bipolare în funcție de numărul de înfășurări
pe fază , controlul fiind deseori realizat cu ajutorul circuite lor de tip driver. Pentru
motoarele pas -cu-pas unipolare ac este circuite pot fi relativ simple dar în cazul
motoarelor bipolare sunt necesare circuite driver mai complexe, pentru a putea inversa
polii magnetici ai bobinelor, prin inversarea curentului în înfășurări. [7] Pentru controlul
facil se pot utiliza soluții dedicate cum ar fii circuitele A4988, fiind economice din punct
de vedere al spațiului ocupat și al timpului de integrare. Majoritatea circuitelor dedicate
oferă posibilitatea de comanda în microstepping, cresc ând rezoluția de poziționare,
motorul poziționându -se între pași prin energizarea simultană a mai multor bobine.

Studiu bibliografic
11
Figura 2.9. Structura unui motor pas -cu-pas
Circuitele moderne de comandă pot obține aproximativ 32 de micropași per pas,
obținând astfel din 200 de pași pe rotație aproximatov 6400 de puncte egal spațiate pe
rotație , controlul fiind rafinat la o rezoluție de aproximativ 0,06°.

Figura 2.10. Exemple de d rivere pentru motoarele pas -cu-pas unipolare și bipolare
În loc de a comanda tensiunea ce ajunge pe bobinele statorului driverele
performante comandă curentul. Driverele de bază pentru motoarele pas -cu-pas au de
obicei patru pere chi de elemente de comutație, câ te două pentru fiecare fază a
motorului. De obicei sunt două intrări , pentru direcție , în funcție de nivel motorul
rotindu -se în sens orar sau trigonometric și pentru pași, la fiecare puls motorul

Studiu bibliografic
12 realizând un micropas, în funcție de rezoluția pe care o poate oferi circuitul. Cele mai noi
elemente de comutație, IGBT -urile și MOSFET -urile au facilitat evoluția acestor tipuri de
drivere. [8]
2.9 Comunicație OPC
Standard ele de comunicație OPC ( care la început însemna OLE for Process Control,
unde OLE reprezintă Object Linking and Embedding) a u apărut ca reacție la nevoia
industriei de automatizări, pentru schimbul de informații în timp -real între
echipamentele diverșilor producători. La apariția sa standardul OPC avea ca scop
abstractizarea protocoalelor de comunicație ale automatel or programabile într -o
interfa ță robustă, ușor de integrat pentru schimbul de informație cu sistemele de
interfață om -mașină și cu sistemele SCADA. Odată cu evoluția tehnologiilor î n sfera
industrială nevoia de in formație a crescut, standardul OPC integrând astăzi mai multe
platforme, de la senzori inteligenți până la sisteme software SAP , tranziția spre Industria
4.0 [9] accentuând ideea de sisteme independente și inteligente ce necesită un standard
de comunicație de încredere. Azi OPC reprezintă Open Platform Communication ,
integrând majoritatea echipamentelor de automatizări industriale. [10] [11]

Figura 2.11. Schema de principiu a standardului de comunicație OPC
Scenariul tipic de utilizare a OPC -ului îl reprezintă arhitecutura single sever –
single client, dar structura de tipul single client – multiple server este cunoscut ca
Agragare OPC sau conexiunea unui client cu serverul printr -o rețea se numește OPC
Tunnelli ng, iar când două servere OPC comunică între ele avem de a face cu OPC
Bridging. Cele mai utilizate standarde OPC sunt OPC DA (Data Access) , unde comunicația
se realizează prin porturile COM/DCOM sau OPC XML DA, unde accesul se poate realiza
prin aplicații web. O altă ramură importantă o reprezintă OPC UA (Unified Architecure),
construit în jurul arhitecturii SOA (Service Oriented Architecture) pentru comunicații
între platforme, fiind cel mai avansat standard OPC.
Dacă echipamentele joacă rolul de clienți în a rhitec turile menționate mai sus,
serverele de obicei sunt stații PC pe care rulează diferite aplicații de servering OPC.
Printre cele mai cunoscute și utilizate soluții sunt cele de la MatrikonOPC, KEPServerEX
și altele. În general aceste soluții sunt însoțite de drivere dedicate producătorilor de
automate programabile, dar sunt capabile să integreze și soluții generice, preluând
informații de la alte aplicații server OPC. Pe lângă aplicația principală soluțiile sunt
însoțite și de aplicații de simulare , tunnelling și exploare. O caracteristică importantă o

Studiu bibliografic
13 reprezintă și redundața datelor. Dacă există două stații ce înregistrează date, folosind
OPC se poate asigura integritatea acestora, eliminând o parte majoră din riscul pierderii
de informați i la apar iția defecțiunilor.
2.10 Sistemele SCADA
SCADA r eprezintă partea de interfațare grafică cu elementele hardware ale
sistemelor de automatizări industriale. Facând legătura între utilizator și proces , SCADA
a devenit un element nelipsit din structurile industria le de mari proporții , interfațarea
acesteia cu sisteme SAP reprezentând și un puternic instrument economic, companiile
urmărind parametrii pentru funcționarea propice și economică a echipamentelor .
Structura clasică SCADA se împarte în cinci nivele. Nivelul 0 sunt echipamentele și
senzorii, nivelul 1 microcontrollerele de process, nivelul 2 sistemele de supervizare,
nivelul 3 sistemele de control ale producției, iar la nivelul 4 se regăsesc sistemel e de
planificare ale producției. [12] [13]

Figura 2.12. Structura clasică de integrare SCADA
Principalele caracteristici ale sistemelor SCADA sunt: controlul proceselor local
sau de la distanță, monitorizarea, adunarea și procesarea datelor în timp -real,
interacțiunea directă cu senzori, valve, pompe, motoare și alte echipamente prin
interfețele om -mașină precum și înregist rarea evenimentelor și alarmelo r. Aceste
sisteme au apărut la mijlocul secolului XX ca urmare a expansiunii platformelor
industriale și necesitatea controlului acestora pe distanțe mari. Termenul de SCADA a

Studiu bibliografic
14 apărut în anii 1970, sistemele fiind utilizate preponderent în platformele petroliere.
Odată cu evoluția rețelelor și a microprocesoarelor de control a u evoluat și soluțiile
SCADA. Trecerea spre ceea ce companiile industriale mari numesc Industria 4.0 [9], o
industrie a fabricilor inteligente, capabile să decidă singure, crește importanța
înregistrării și interpretării datelor . Implementarea SCADA împreună cu baze de date
SQL este cea mai comună în zilele noastre, fiind un puternic instrument de control și
înergistrare a datelor pentru soluț iile industriale.
2.11 Microcontrollerele
Microcontrollerele sunt circuite integrate, compacte, proiectate pentru a controla
acțiuni specifice într -un sistem înglobat. Structura tipică de microcontroller include un
microproces or, memoriile și perifecile de intrare/ieșire. Acestea sunt regăsite în zilele
noastre în majoritatea aplicațiilor electronice de la roboți, vehicule, electrocasnice până
la echipamentele medicale. Cei mai cunoscuți producători de microcontrollere sunt
Texas Instruments, Renesas Electronics, Silicon Labs și alții. Importanța acestora este
imensă, o personă având în medie aproximativ 20 de microprocesoare în casă, anual
fiind produse mai mult de două miliarde. Primele microcontrollere au apărut în 1971
când Intel a lansat 4 -bit Intel 4004 și Texas Instruments a lansat TMS 1000 , la câțiva ani
devenind disponibile comercial .

Figura 2.13. Microprocesorul Intel 4004
Procesoarele microcontrollerelor v ariază în funcție de aplicație, de la 4 -biți până la
sistemele complexe de 64 -biți. Din punct de vedere al memoriilor acestea folosesc RAM,
flash, EPROM sau EEPROM. Microcontrollerele sunt proiectate să funcționeze fără alte
sisteme de calcul având îndeaju nsă memorie și putere de procesare precum și si stemele
de I/E pentru interfațarea cu senzori și alte echipamente. Arhitecura acestora respectă
în mare parte standardul von -Neumann sau standardul Harvard, diferența fiind
magistralele pentru instrucțiuni și memorii. [14]

Studiu bibliografic
15
Figura 2.1 4. Structurile Harvard și von -Neumann
Procesoarele pot fi bazate pe arhitecturile CISC (Complex Instruction Set
Computing) sau RISC (Reduced Instruction Set Computing) în funcție de numărul de
instrucțiuni pe care le pot interpreta. Cel mai comun limbaj de programare ale acestora
este C, la început acestea fiind programate în limbaje de asamblare. Odată cu apariția
termenului de IoT (Internet of Things) importanța acestora în viața de zi cu zi a crescut,
devenind din ce în ce mai accesibile publicului larg. Diverese companii au întreaga lor
activitate centrată asupra publicului neformat profesional, cu produse ușor de integrat și
de programat. Evoluția puterii de calcul ale acestor a fost exponen țială, în zi ua de ast ăzi
existând companii ce produc microcontrollere multi -core, exmplu fiind familia de
microcontrollere xCORE -200 ce poate avea până la 32 de microprocesoare capabile să
execute 4 miliarde de instrucțiuni pe secundă , cu memorie RAM de 10 24 KB și memorie
flash de 2048 KB, cu o arhitectur ă de 32 sau 64 de biți.

Figura 2.15. Microcontrollerul xCORE -200

Analiză, proiectare, implementare
16 3 Analiz ă, proiectare, implementare
3.1 Schema bloc a sistemului
Deoarece ansamblul de control al extrudării presupune interacțiunea între sisteme
hardware și software o schemă bloc a sistemului poate evidenția clar legăturile între
acestea.
Tabelul 3.1. Legenda schemei bloc
Nr. Culoare Tip
1 Albastru Semanle OPC, SCADA (valori numerice)
2 Mov Senzori (semnal tensiune 0 – 3,3 V )
3 Portocaliu Logică microcontroller (semnal tensiune 0 – 5V)
4 Roșu Semnal de putere (semnal tensiune 0 – 12 V)

Ansamblul se împarte în două mari categorii: Hardware și Software.
 Hardware
o Extruderul
 Motor pas -cu-pas,
 Ansamblu roți angrenare filament ,
 Diuză ,
 Bloc radiator ,
 Termistor NTC ,
 Ventilator ,
 Filament polimeric .
o Patul de imprimare
o Controller
 Microcontroller ,
 Etaj amplificare cu relee și tranzistoare ,
 Driver motor pas -cu-pas,
o Ecran LCD .
 Software
o Software microcontroller ,
o Software interfațare SCADA prin OPC .

Analiză, proiectare, implementare
17
Figura 3.1. Schema bloc a sistemului
3.2 Implementare Hardware
3.2.1 Sistemul de axe cu comandă numerică pentru pozi ționare a extruderului
Pentru pozționarea extruderului acesta se fixează pe capătul axei Z a unei mașini
cu comandă numerică , având rol de sculă dacă ne raportăm la denumirile clasice a unei
mașini cu acționare CNC . Având capacitatea de pozționare cu o abtere maximă de ±0,1
mm, extruderul poate fi poziționat pentru realizarea unor modele 3D. De asemenea,
patul de imprimare se regăsește pe ma sa de lucru a mașinii CNC.

Analiză, pro iectare, implementare
18 3.2.2 Extruderul
Pentru extrudrarea termoplastică capul de imprimare trebuie să încălzească
filamentul la o temperatură de topire specifică acestuia pentru ca apoi să fie trecut
printr -o diuză cu diametru mic astfel încât așezarea aces tuia pe model să fie cât mai
precisă . Filametul este alimentat p rintr -un sistem de roți de angrenare acționate de un
motor electric pas -cu-pas către un reșou. Sistemul de angrenare este format din două
roți, una activă acționată de motor și una fixă prin c are se realizează transferul de forță
pentru împingerea filamentului.

Figura 3.2. Extruderul MK8
Un alt element acționat este ventilatorul pentru menținearea temperaturii joase în
zona roților de angrenaj menținând astfel un regim de funționare corect . În afară de
echipamentele active în extruder se regăse ște și un radiator pentru disiparea căldurii. Cu
o greutate totală de 450 g acesta este ușor să fie purtat de axele CNC nefiind nevoie de
un cuplu mare. Pentru controlul temperaturii se folosește un te rmistor de 100 kΩ,
capabil să m ăsoare temperaturi de până la 28 0 °C. Încălzirea blocului reșou se face
printr -o tijă cu un diametru de 6 mm, ce necesită o alimetare de 12V, la o putere de 30
W. Tija este alimentată de la o sursă stabilizată capabilă de 12V , capabilă să dezvolte
peste 10 A. Temperaturile normale de funcționare ale extruderului sunt între 190 și 26 0
°C, în funcție de temperatura de topire a materialului de imprimare. Diuza din alamă are
dimesiunile 5×13 mm cu un diametru de ieșire de 0,4 mm.

Analiză, proiectare, implementare
19
Figura 3.3. Diuza extruderului MK8
Cu dimensiune de 11×9 mm și un diametru efectiv de 7 mm, roata acționată de
motorul pas -cu-pas este prinsă de axul acestuia cu un șurub ø5mm . Aceasta este
realizată din oțel inoxidabil pentru a rezista temperaturilor ri dicate.

Figura 3.4. Roata de ghidaj pentru ang renare la extruderul MK8
Un sistem cu arc, șurub și piuliță asigură forța de apăsare într cele două roți
folosite la împingerea filamentului. Același si stem este acționat la reîncărcarea
materialului când acest a este consumat.
Deoarece procesul de imprimare necesită cantități exacte de material cea mai bună
soluție este folosirea unui motor pas -cu-pas. Extruderul MK8 are în structura sa motorul
bipolar NEMA 17 4 8mm ( 42BYGHM810 ) cu unghiul de pas de 0,9 ° și o acuratețe de 5% .
Este capabil să dezvolte un cuplu maxim de 4,8 kg·cm, iar în funcție de driverul folosit
poate ajunge la viteze de 2344 RPM. Din punct de vedere fizic acesta are un ax cu
diametrul de 5 mm, r espectă ca d imensiune standardul NEMA17, având o greutate de
362 g. Din punct de vedere electric acesta trebuie alimentat cu 12 V de la o sursă de
tenisune continuă având un current maxim de 2,4 A. Rezi stențele înfășurărilor sunt
aproximativ 1 Ω cu inductanța pe o fază de 1,8 mH . Accesul la bobinele acestuia se face
prin patru conductor i dispuși la baza acestuia.

Analiză, proiectare, implementare
20
Figura 3.5. Motorul pas -cu-pas, NEMA17
3.2.3 Patul de imprimare
Patul încălzit este utilizat pentru îmbunătățirea imprimării prin prevenția
colimatării modelului. Când plasticul ex trudat se răcește acesta se strâ nge, iar dacă
procesul acesta nu este uniform vom avea părți ale piesei unde pot apărea defecte. Din
punct de vedere mecanic patul de imprimare este realizat din polietermidă . Din punct de
vedere electric acesta consu mă aproximativ 6 A pentru a se încălzi, fiind alimentat de la
o sursă de 12 V tensiune continuă , rezistența firelor fiind de 2 Ω. Se recomandă utilizarea
unor conductori cu un diametru mai mare de 1 mm ce poate rezista temperaturilor de
peste 100 °C. Valoarea tipică a temperaturii la care patul de imprimare cedează și începe
să ardă este 600 °C. Peste patul de imprimare se așează de obicei o bandă pentru a
împie dica lipirea obiectului imprimat de patul încălzit.

Figura 3.6. Patul de imprimare

Analiză, proiectare, implementare
21 La fel ca la mașinile clasice CNC unde scula și masa de lucru trebuie calibrate și în
cazul imprimantei 3D cu extrudare termoplastică extruderul trebuie să aibă orificiu l de
imprimare al diuzei trebuie să fie perfect paralel cu patul de imprimare pentru a nu
deteriora capătul extruderlui sau patul în sine. Acest proces de calibrare trebuie realizat
la temperatura de funcționare, când toate elementele sunt dilatate . Cea ma i bună soluție
pentru asigurarea nivelului sunt sistemele cu arc, piuliță și șurub dispuse pe colțurile
suprafeței de lucru.
3.2.4 Filamentul termoplastic
Filamentul ABS (Acrilonitril Butadien Stiren), (C8H8·C4H6·C3H3N)n este un material
comun utilizat la imprim area 3D. Acest tip de polimer este utilizat pentru producerea
pieselor durabile ce necesită o rezistență la temperaturi ridicate. Comparând cu un alt
polimer des folosit, PLA (Acid Polilactic) , ABS este mult mai ductil și mult mai puțin
fragil. Poate fi uș or procesat după impirmare folosind acetonă pentru finisare. Avantajul
acestui material este rezistența, fiind folosit și în industrie , fiind același material folosit
pentru căștile de protecție ale bicicliștilor și pentru piesele Lego. Un dezavantaj al
acestui material este faptul că este produs din combustibili fosili, acesta nefiind
biodegradabil, producția sa având un impact mare asupra mediului. Totuși, fiind un
material plastic acesta poate fi ușor reciclat. Acest material are punctul de topire în ju rul
temperaturii de 230 °C.

Figura 3.7. Rola de ABS

Analiză, proiectare, implementare
22 3.2.5 Termistorii NTC 10 kΩ, respectiv 100 kΩ
Reacția negativă pentru controlul temperaturii la cele două sisteme de încălzire
este asigurată de câte un termistor, de 100 kΩ în cazul reșoului extruderului, respectiv
10kΩ . Pentru rezultate cât mai eficiente, termistorul este alimentat cu 3,3 V fiind cuplat
cu o rezist ență cu egală cu valoarea acestuia la temperatura de referință (25 °C) într-un
montaj de tip divizor de tensiune , termistorul fiind poziționat spre masă.

Figura 3.8. Montaj pentru citirea rezistenței termistorului
Dat fiind faptul că termistorul este un dispozitiv electronic neliniar
comportamentul acestuia este liniarizat cu ajutorul unui factor β specific rezisten ței
nominale și producătorului. Termistorul de 10 kΩ folosit în cadrul acestui proiect este
produs de compania VISHAY are o toleranță de ±3%, fiind recomandat a fi utilizată între
-40 și +125 °C , cu un timp de răspuns de aproximativ 1,2 secunde (în ulei). Conform fișei
tehnice aceasta are un factor β = 3977 ce va fi folosit pentru citirea temperaturii în
microcontroller . Pntru termistotrul de 1 00 kΩ avem β = 3950 . În cazul în care nu se
cunoaște valoare factorului de liniarizare acesta poate fi determinat prin următorul
experiment.
1. Se citește rezistența la temperatura camerei folosind un aparat de măsură și un
termometru ca etalon ;
2. Se alimentează tija de încălzire cu 12 V până când temperatura ajunge la 100 °C;
3. Se citește rezistența, apoi folosind relația (2.2) se exprimă valoarea lui β.
Variația rezistenței va influența valoarea tensiunii la intrarea porturilor analogice
ce se traduce în valori diferite ale regiștrilor CAN ai microcontrollerului luând valori
între 0 și 1023 , cu o rezoluție 3,22 mV pe unitate dacă acestea sunt alimentate de la
sursa de 3,3 V de pe placă.
3.2.6 Driverul A4988
Pentru controlul motorului pas -cu-pas se utlizează driverul A4988 ce conferă o
interfață facilă pentru controlul direcției și pașilor. În fun cție de trei intrări acesta poate
fi programat să realizeze cinci rezoluții diferite pentru pășire, de la pas întreg până la
șaisprezecimi de pas.

Analiză, proiectare, implementare
23
Figura 3.9. Monta jul termistorilor
Folosind un potețiometru se poate controla curentul ce ajunge pe bobinele
motorului. Curentul este dat de următoarea relație.
(3.1 )
Din punct mecanic acesta are dimensiune și greutate redusă, integrarea acestuia pe
o placă fiind ușoară. Din punct de vedere electronic acesta are nevoie de alimentare de
forță între 8 și 35 V și alimentarea pentru partea logică între 3 și 5 ,5 V. Fiind capabil să
furnizeze maxim 2 A pe fază se recomandă ca valoarea să fie redusă în jurul valorii de 1
A. Controlul motorului prin acest driver se bazează pe două punți realizate cu tranzistori
DMOS.
Tranzistoarele DMOS sunt tranzistoare FET de putere cu o funcționare excelentă în
aplicații cu tenisuni mari și viteze mari de comutație , de obicei folos ite în industria
automobilelor, la imprimantele cu jet de cernelă pentru motoarele pas -cu-pas și în
sursele stabilizate de tensiune. Acestea folosesc un strat dublu de difuzie între straturile
p- și n+. Electronii intră prin terminalul sursei și urmează un curs lateral prin stratul de
inversiune . Conveția direcției curentului este de la drenă la sursă. Cele mai importante
caracteristici ale tranzsitorului DMOS sunt tensiunea mare de defalcare și rezistența în
funcționare.

Figura 3.10. Strucutra unui tran zistor DMOS

Analiză, proiectare, implementare
24
Figura 3.9. Schema de mo ntaj a driverului A4988
VDD, ce reprezintă alimentarea părții logice a driverului se face de la ie șirea unui
integrat 7805. Se poate obesrva faptul că pini 9 până la 12 nu sunt conectați, deoarece se
dorește ca driverul să funcționeze tot timpul, așadar pe pinul 9 nu vom avea niciodată
valoare High logică. Pentru pini 10, 11 și 12 ne vom referi la tabelul de mai jos.
Tabelul 3 .2. Rezoluțiile circuitului A4988
Nr. MS1 MS2 MS3 Rezoluție
1 Low Low Low Pas întreg
2 High Low Low Jumătate de pas
3 Low High Low Sfert de pas
4 High High Low Optime de pas
5 High High High Șaisprezecime de pas

S-a ales rezoluția cu pași întregi deoarece ușurează calculele de modelare a
cantității de filament extrudat.
(3.2)
Luând în considerare diametrul de 11.1 mm al roții ce angranează filamentul
atunci vom avea :
(3.3)
Așadar pentru fiecare pas vom avea 0,175 mm liniari de filament extrudat. Dacă se
consideră necesar se pot utiliza rezoluții mai mari, ajungându -se pană la 0,0109 mm
liniari pe șaisprezecime de pas dacă driverul este configurat .
3.2.7 Etaj de amplificare
Pentru a acționa echipamentele alimentate la 12 V de la microcontroller este
necesar un etaj de amplificare din 5 V în 12V. Pentru a asigura o fun cționare propice în
cazul unor pulsuri de curent pe partea de forță vom separa circuitele cu ajutorul unor
relee. Releul este un dispozitiv electromagnetic format dintr -o bobină din conductori
izolați și un contact format dintr -o armătură metalică , în structura cea mai si mplă. La
trecerea unui curent prin bobina acestuia în jurul ei se formează un câmp

Analiză, proiectare, im plementare
25 electromagnetic ce magnetizeză lamela și o atrage pentru a închide circuitul prin
contactor.

Figura 3.10. Releu cu contactele Normal Închis și Normal Deschis
cu a) bobi na nenergizată și b) bobina energizată
Releele utlizate în circuit sunt RELPOL RM84 -2012 -35-1024 , releu în configurație
DPDT cu tensiune nominală de 24 V pe bobină. Fie că pe contactele sale există tensiune
continuă sau alternativă acestea pot admite un cu rent de maxim 8 A la o sarcină
rezistivă. și pot comuta 440 VAC sau 250 de VDC. Rezistența bobinei este de 1,44 kΩ , cu
un timp de răspuns de 7 milisecunde , având garantate 30 de milioane de cicluri. Poate
funcționa între temperaturile -40 – 58 °C. Cu o dim ensiune redusă de 29×12,7×15,7 mm
acesta poate fi intregrat pe o placă PCB pentru partea de forță a circuitului. Pini , în
număr de 8 , au o rezistență mica de 100 mΩ fiind realizați din AgNi.

Figura 3.11. Releul electromecanic RELPOL RM84 -2012 -35-1024
Majoritatea microcontrollerelor nu pot acționa direct un releu, așadar este nevoie
de o amplificare intermediară între ieșirea digitală și releu. Cea mai facilă soluție este
amplificarea folosind un tranzistor. Tranzistorul este un dispozitiv electronic

Analiză, proiectare, implementare
26 semi conductor ce are cel puțin trei borne : bază , colector și emitor. Acestea sunt de
obicei realizate din siliciu . Pentru funcționarea normală a unui tranzistor de tip NPN
joncțiunea emitor -bază este polarizată direct , fiind parcursă de un curent direct, de
obicei având o cădere de tensiune de 0,6 – 0,7 V. În același timp pe joncțiunea colector –
bază, fiind polarizată invers are un curent mic de nivelul ampermetrilor. Tranzistorii
NPN sunt utilizați după sarcină, facând legătura între aceasta și masă . La un cu rent i b
trimis în baza tranzistorului vom avea vom avea un curent amplificat cu un factor β
specific fiecarui tranzistor denumit i c. Acești curenți trebuie luați în considerare pentru a
asigura o cădere de tensiune cât mai mică pe tranzistor, scăzând astf el puterea disipată
de acesta prin căldură. O putere mare disipată poate duce la deteriorarea tranzitorului.
Acest curent se numește curent de saturare și este dat de relația :

(3.4)
Când tranzistorii sunt utilizați pentru amplificarea semnalelor la acționarea unui
releu, trebuie luată în considerare tensiunea maximă admisă , tenisunea de străpungerea
a joncțiunii colector -bază.

Figura 3.1 2. Tranzistorul NPN BD237
Pentru a genera curentul necesar în baza tranzistorului câteva calcule sunt
necesare pentru dimensioanrea core ctă a rezisten ței.

(3.5)

Analiză, proiectare, implementare
27
Figura 3. 13. Montaj amplificare 5 V – 12 V cu tranzistor și releu

3.2.8 Microcontroller
Microcontrollerul ales pentru implementarea este un model Atmel Atmega 8 -bit
mai exact Atmega 328p. Aceste circuite sunt integrate de mici dimensiuni ce con țin
componente capabile să realizeze operații. Aceste integrate conțin o unitate de
procesare, memorii și unitați specializate pentru oper ații de intrare/ ieșire. Faptul că
aceste circuite sunt de dimensiune mică conferă o integrare facilă în multiple aplicații.
Acest microcontroller este dedicat soluțiilor cu aplicații simple ce nu necesită multe
resurse , reprezentând și un avantaj, fiind ușor de diagnosticat în caz de eroare. Din
punct de vedere fizic acesta are dimensiunile 9×36 mm, având 32 de pini. Din punct de
vedere electric microcontrollerul este format din:
 Unitatea de procesare (CPU) de tipul 8 -bit AVR, ce conține unitatea
aritmetic -logică (UAL) și diferitele tipuri de regiștrii;
 Memoria, împărțită în Flash, 32k, SRAM, 1k și EEPROM 2k cu magistralele
aferente;
 Sistemul de întreruperi pentru controlul unor secțiuni ale progarmului ce
trebuie să respecte condiții de timp -real de dimensiunea 1/2 relativ la
raportul cuvânt de instrucțiune pe vector ;
 Timere și Countere pentru execuția programelor în funcție de timp. Spre
exemplu o ieșire PWM este dependentă de timp. Acest microcontroller are
trei timere, două pe 8 biți și unul pe 16 biți ;
 I/E digitale, în num ăr de 14, din care 6 pot fi utilizați pentru PWM, fiind
dispuși paralel ;
 I/E analogice, în număr de 6 cu rezoluții de 8 sau 10 biți fiind conectate la
module CAN/CNA ;

Analiză, proiectare, implementare
28  Interfața I2C pentru comunicație Master -Slave ;
 Timerul Watchdog pentru asigurarea execuției corecte a programului.

Figura 3. 14. Arhitectura b loc a microcontrollerului Atmega 328p

Analiză, proiectare, implementare
29 Pentru a facilita accesul la pini și programarea acestui tip de microcontroller s -a
apelat la o plăcuță de dezvolt are Arduino, modelul UNO. Pe lângă microc ontrollerul mai
sus menționat, Arduino UNO Rev3 integrează și un oscilator ceramic de 16MHz, o
conexiune USB, un capăt ICSP și o mufă de alimentare 7 – 12 V.

Figura 3. 15. Placa de dezvoltare Arduino UNO
Din punct de vedere fizic are dimensiunile 53,4×6 8,6 mm și o greutate de 25 g.
Acesta poate fi alimentat prin conexiune direct ă laUSB sau cu o sursă externă dacă sunt
necesari curenți mai mari la ieșirea din porturi. Alimentarea externă se poate face cu
surse de la 6 pană la 20 V dar valorile de sub 7 ș i cele de peste 12 V pot deteriora placa.
Pinul VIN este folosit ca sursă pentr u restul circuitului astfel încâ t valorile din Arduino și
restul componentelor electronice să fie același. Pini 5V și 3,3 V au la ieșirea lor valori
stabilizate de tensiune obți nute prin circuitele de stabilizare integrate în placă. GND
reprezintă masa. IOREF oferă o tensine de referință a microcontrollerului în funcție de
care se alege sursa de 5 V sau 3,3 V pentru aplicație. Din punct de vedere al mem oriei din
cei 32 kB 0,5kB sunt utilizați pentru bootloader. Fiecare din cei 14 pini digitali pot fi
folosiți ca intrări sau ieșiri, operând la 5 V , fiind cababili să interacționeze cu curenți de
până la 40 mA , fiecare având o rezistență de pull -up de 20 -50 kΩ. Pinii 0 (RX) și 1 (TX )
sunt folosiți pentru comunicația serială. Pentru întreruperi se pot atașa secvențe de cod
declanșate de anumite valori ce apar pe pinii 2 și 3. Se pot utiliza pinii 3, 5, 6, 9, 10 și 11
pentru PWM de 8 biți. De asemenea se pot utliza pinii 10 (SS), 11 (M OSI), 12 (MISO) și
13(SCK) pentru protocolul de comunicație SPI. Pinii A0 pâna la A5 sunt folosiți pentru
intrările și ieșirile analogice cu pinii A4 (SDA) și A5 (SCL) specializați pentru
comunicație I2C. AREF reprezintă tensiunea de referință pentru intră rile analogice,
pentru a îmbunătății calitatea citirilor. Arduino poate comunica cu calculatoarele sau
alte microcontrollere prin diferite canale. Folosind D0 și D1 se poate comunica prin
UART. Cu computerul poate comunica serial, fiind recunoscut de acest a ca un dispozitiv
la intrarea porturilor COM. Pentru protecția plăcii aceasta are o siguranță resetabilă

Analiză, proiectare, implementare
30 pentru variații de tensiune la intrarea USB . La un curent de 500 mA siguranța va
întrerupe automat conexiunea până când sursa defecțiunii este înlătur ată.

Figura 3. 16. Aranjarea pinilor pe Arduino UNO
Pentru conexiunea la calculator se folosește un cablu USB de tip AB, tată/tată
folosit foarte des și la imprimantele clasice.

Figura 3. 17. Cablu USB AB tată/tată
Comunicația de la UART serială la USB serială necesită un etaj hardware de
adaptare.

Analiză, proiectare, implementare
31
Figura 3. 18. Etaj de adaptare UART -USB
3.2.9 Ecran LCD cu comunicație I2C
Pentru a ușura monitorizarea unor valori din microcontroller în timpul funționării
putem avea acces la acestea afișându -le pe un ecran LC D ce comunică prin intermediul
protocolului I2C (Inter -Integrated Circuit) , deseori canalul de comunicație serial fiind
ocupat de computer sau alte elemente interconenctate. Acest protocol se bazeză pe o
structură Master -Slave. Acest protocol combină carac teristici din protocalele SPI și
UART. La fel ca UART comunicația se face pe două fire SDA (Serial Data) prin care
componentele Master și Slave trimit și primesc date și SCL (Serial Clock) ce poartă
semnalul de ceas.

Figura 3.19. Arhitectura I2C
I2C este un protocol serial așa că informația este transmisă bit cu bit. Datele sunt
structurate în mesaje , ce sunt la rândul lor împărțite în cadre. Cadrele de obicei conțin
adresa componentei Slave și datele propriu -zise.

Analiză, proiectare, implementare
32
Figura 3.19. Structura mesajelor î n arhitectura I2C
Pașii în comunicația I2C:
 Masterul trimite semnalul de start spre toate componentele Slave când SDA
trece din LOW în HIGH;
 Masterul trimite tuturor componentelor Slave o adresă, acestea comparând
informația cu adresa proprie;
 Dacă adresa este corectă atunci un semnal ACK este trimis înapoi spre
Master;
 Are loc schimbul de date, după fiecare mesaj trimisându -se un semnal ACK;
 Transmisia se oprește când SCL devine HIGH înainte ca SDA să devină HIGH.
Dezavantajul acestui protocol este viteza relativ mică de 100 kbps și limitarea
mesajului la 8 biți.
Folosind un circuit de adaptare cu PCF8574 ecranul LCD poate fi interfațat cu
Arduino doar cu 4 fire, V cc, GND, SDA și SCL de la varianta inițială cu 16 fi re.

Figura 3.21. Adaptare I2C a ecranului LCD

Analiză, proiectare, implementare
33
Figura 3.22. Așezarea pinilor ecranului LCD 1602

3.2.10 Montaj electric implem entat
Montajul electric final a fost fixat pe o plac ă din esență tare , circuitele fiind prinse
de aceasta prin distanțiere pentru a proteja circuitele cositorite. De asemenea fixarea pe
placă facilitează transportul și menținerea în siguranță a circuitului. Placa de fixare are
300×290 mm iar circuitele sunt așezate după figura de mai jos.

Figura 3.23. Fixarea circuitului electric

Analiză, proiectare, implementare
34 Sursa de 12 V curent contrinuu este o sursă stabiliztă în comutație, capabilă să
dezvolte 18 A la 12 V. Acest tip de surse sunt întâlnite cel mai des la alimentarea
calculatoarelor.
Din sursă sunt alimentate cu 12 V cele două circuite de forță, în figura de mai sus
Driver și Relee. Circuitul Driver conține partea de forță necesară comandării motorului
pas-cu-pas. Pe lânga aceasta mai avem un circuit separat pentru măsurarea temperaturii
ambientale, folosit ca referință pentru calibrarea termistorilor . De a semenea mai avem și
un integrat pentru obținerea a 5 V necesari la alimentarea ecranului LCD. Circuitul
conține și un LED pentru validarea funcționării acestuia. Cei șase pini cu șurub sunt
folosiți pentru alimentarea circuitului, alimentarea ecranului LCD -ului, captarea
semnalului de la termistoare și transmiterea acestora spre microcontroller .

Figura 3.24. Circuitul „Driver ”
Circuitul Relee conține două relee pentru fiecare din consumatorii ce se încălzesc.
Aceștia trebuie să fie capabili să reziste la curenți mari, cu reșoul extruderului

Analiză, proiectare, implementare
35 consumând aproximativ 4 A și patul 8A, valori determinate empiric, ce diferă de
specificațiile din fișele tehnice, subliniiând cu această ocazie importanța testării pe
comp onente a unui circuit electronic. Dimensionarea componentelor este foarte
importantă la curenți mari, în cazul circuitului de față luând în considerare valorile
trecute în documentații s -a ales o siguranță de 10 A, fiind mai mult decât cei 8 A
preconizați. Odată măsurate valorile reale a fost necesară înlocuirea acesteia cu o
siguranță de 30 A, fiind o bună practică alegerea unei siguranțe cu valoarea de trei ori
mai mare decât curentul maxim prin circuit. În cazul nostru 30 este aproximativ de trei
ori mai mare decât cei 12 A maximi. Contactele normal deschise ale releelor folosite au
fost cositorite împreună deoarece în mod normal acestea puteau purta curenți de maxim
de 8 A. Odată cositoriți prin cele două contacte pot fi purtați curenți de până la 16 A,
curentul fiind împărțit de cele două contacte.

Figura 3.25. Circuitul „Relee”
Cele 5 LED -uri au fost folosite pentru validarea circuitului, aprinderea lor fiind
semnalul ca există curenți pe căile dorite. LED -ul Jumbo din colțul stânga jos
semnalizează prezența a 12 V. Cele două LED -uri de lângă tranzistorii BD237
semnalizeză prezența unui curent în baza acestora. Celelate două LED -uri din partea de
sus a circuitului semnealizeză prezența tensiunii după deschiderea releelor. Pinii cu
șurub din stânga jo s sunt folosiți pentru intrarea tensiunii de 12 V și a comenzii pentru
relee . În partea de sus avem, de la stânga la dreapta, terminalele pentru patul încălzit,

Analiză, proiectare, implementare
36 ventilor și extruder. Prin terminalul din mijloc se închide circuitul fiind legat la masă.
Vent ilatorul este alimentat tot timpul pentru asigurarea unei funcționări fără
supraîncălzirea motorului pas -cu-pas.

Figura 3.26. Circuitul electric implementat
Schema electrică completă a circuitului implementat se regăsește în Anexa 1 a
lucrării.

Analiză, proiectare, implementare
37 3.3 Implementare software
3.3.1 Comunicația OPC
Pentru implementarea comunicației OPC este necesar a fi utilizat un software
specializat de OPC Servering. O soluție folosită a fost KEPServerEX de la Kepware ce
integrează cu succes soluții industriale de comunicații dar și soluții pentru echipamente
de putere mică, echipamente specifice IoT. Având drivere software specifice automatelor
programabile de la OMRON , în cazul proiectului de față CJ2M , se poate realiza
comunicația între sistemul de poziționare și cel de extr udare al imprimantei controlat
prin Arduino UNO. Pentru configurarea comunicației cu automatul programabil se
folosesc canalele dedicate ale KEPServerului. PLC -ul OMRON CJ2M comunică cu
calculatorul prin comunicație serială așa că tipul de canal ales în se rverul OPC va fi
OMRON Fins Serial, denumindu -l sugestiv apoi pentru a ușura configurările ulterioare.
Comunicația realizându -se serial, trebuie specificat portul COM 2, număr ul de bauds,
9600, numărul de biți reprezentând datele , 7, paritatea și numărul d e biți de stop , 2. Se
alege citirea ultimelor valori, cu un timp de eșantionare de 10 milisecunde. Odată
configurat acesta se va regăsi în lista de canale active ale severului , un sistem SCADA
capabil să citească valori OPC va putea importa valori din PLC.

Figura 3.27 . Configurareacomunicației cu OMRON CJ2M
Pentru implementarea comunicației cu OPC cu placa Arduino UNO trebuie
configurată o arhitectură de tip OPC Bridging între KEPServer și ArduinoOPCServer .
Astfel se introduce un nou canal de comunicație cu un dispozitiv generic OPC, regăsit în
listă cu denumirea OPC DA Server, deoarce protocolul de comunicație se realizează prin
acces direct la date (DA).

Analiză, proiectare, implementare
38
Figura 3.28 . Configurarea comunicației cu ArduinoOPCServer
Odată configur ate amblele canale , variabilele din cele două sisteme pot fi
importate. Dacă în cazul PLC -ului valorile sunt adăugate automat, pentru
ArduinoOPCServer trebuie importate manual, prin două conexiuni, prima ce inițializează
comunicația și realizează citirea v ariabilel or și a doua unde sunt importate efectiv
valorile.
Pentru serviciul server OPC pentru Arduino se folosește soluția ArduinoOPCServer
al celor de la Software Tools for Makers. Prin acesta variabilele trimise serial spre
calculator din microcontrolle r sunt transmise prin canale specifice OPC. La fel ca în
KEPServer și aici trebuie configurată comunicația serială cu dispozitivul. Se alege
Arduino Serial din fereastra Configuration, se alege portul COM pe care se regăsește
Arduino, valoarea de 9600 baud , important a fi egală cu cea a PLC -ului , și intervalul de
eșantionare, în cazul acesta 100 milisecunde.

Figura 3.29 . Configurarea dispozitivului în OPC Server

Analiză, proiectare, implementare
39
Figura 3.30. Variabilele Arduino în ArduinoOPCServer
După ce configurația se salvează, s e ruleză cu drepturi de administrator fișierul
„register.bat” din dosarul aplicației , astfel încât canalul OPC să fie găsit de celelalte
aplicații cum ar fi KEPServer .

Figura 3.3 1. Canalele configurate în KEPServer
Odată configurate canalul și dispozitivul se poate face importul de variabile din
Properties, variabilele fiind importate pe rând sau pe ramuri. Valorile importate sunt
apoi afișate în fereastra dispozitivului.
Primul pas de validare al comunicației se poate face folosind aplicația cl ient
KEPServer unde se pot citi valorile . Acestea sunt accesibil e dacă au atributul Good pe
coloana Quality . Valorile pot fi citite de pe dispozitive , sincron sau asincron fără a lua în
considerare perioada de eșantionare clasică.

Analiză, p roiectare, implementare
40
Figura 3. 32. Adăugarea variabilelor Arduino în KEPServerEX

Figura 3.33. Variabilele Arduino importate în KEPServerEX

3.3.2 Aplicația SCADA
Pentru a realiza interfațarea opertorului cu echipamentele imprimantei 3D s -a
folosit aplicația SCADA Visual Designer al celor de l a Eaton. Visual Desgner este o
aplicație dedicată soluțiilor industriale fiind folosită în multe proiecete ce necesită
supervizarea și controlul unei platforme de la distanță . Fiind capabilă să utlizeze mai
multe protocoale de comunicație cum ar fi ODBC, O PC sau TCP/IP această soluție poate
integra o mulțime de echiapmente pentru buna funcționare a automatizărilor
industriale. Protocolul de interes în cazul aplicației este OPC. Pentru a importa valorile

Analiză, proiectare, implementare
41 OPC trebuie configurată comunicația din fereastra Comm , directorul OPC DA 2.05 . În
fereastra deschisă se alege serverul Kepware.KEPServerEX.V6, perioada de citire din
server, 10 milisecunde. În lista de mai jos se denumesc variabilele local, fiind folosite mai
departe în configurarea elemtelor ecranelor . În c oloana Item, prin click -dreapta, se
accesează OPC Browser având acces la valorile dorite.

Figura 3.34 . Fereastra OPC Browser pentru importul de date
O altă modalitate de import este folosirea Wizard -ului pentru import din bara de
meniu a ferestrei Home.

Figura 3.35. Meniul Visual Designer
Aici se alege canalul OPC Server Database deschizându -se o fereastră de
configurații pentru alegerea serverului și a ramurii de variabile dorite.
Variablilele odată importate pot fi apoi atribuite elementelor grafice. Pentru
verificarea calitații conexiuni și a valorii în sine a variabilelor acestea pot adăugate
serviciului Database Spy din Visual Designer. În figura de 3.36. de mai jos se pot oberva o
parte din valorile, valori citite cu microcontrollerul deconectat de la montajul electric.
Pentru interfață s -au ales elemente simplu de utilizat pentru comenzile manuale și
urmărirea valorilor . Unui Text Field îi poate fi asociat un tag, având opțiunea de a
restricționa scrirea în acel tag , opțiunea de realiza o mască de afișare , limitarea între un
minim și un maxim la scrire și multe altele.

Analiză, proiectare, implementare
42
Figura 3.35. Configurarea KEPServerEX în Visual Designer

Figura 3.36. Valorile în Database Spy
Interfața a fost împărțită în două, o parte pentru monitorizarea și setarea
parametrilor componentelor ce se încălzesc iar cealaltă pentru operarea manuală și
pentru parametrii legați de filament. Temperatură Extruder și Temperatură Pat
reprezintă valorile actuale ale temperaturilor din sistem. SP Extuder și SP Pat reprezintă
refe rințele pentru cele două temperaturi . Histereza Extruder și Histereză Pat sunt
limitele între care releele vor comuta. Test Extrudare, Test Pat Imprimare și Test Motor
pas-cu-pas precum și Pași Motor pas -cu-pas sunt parametrii folosiți la operarea manuală
și la testarea circuitului. Cele trei semnalizatoare reprezintă stadiul imprimării , cel roșu
fiind semn alul pentru extrudare începută , cel galben pentru extrudare în desfășurare iar
cel verde pentru operațiune compl etă. SP Filament reprezintă cantitatea de filament în
mm liniari necesar extrudării , iar Filament extrudat reprezintă cantintea extrudată până
la momentul actual. Când testele sunt active semnalizatoarele acestora sunt de culoare
verde.

Analiză, proiectare, implementare
43
Figura 3.37. Inte rfața SCADA pentru extrudare
3.3.3 Implementare microcontroller
Program area microcontrollerului s -a realizat în mediul de programare Arduino
IDE. Controlul temperaturilor se face prin praguri de histerez ă în jurul unor valori de
referință , iar cantintatea filame nt extrudată se face prin conversie de la mm la numărul
de pași necesari. Componentele principale ale softwareului de control sunt comunicația
OPC, citirea valorilor analogice de pe termistori și controlul componentelor.
Pentru comunicația OPC se utlizeaz ă librăria OPC.h dezvoltată de cei de la
Software Tools for Makers . Se crează o variabilă de tip OPCSerial ce are metodele de
comunicație. Se declară ca globale variabilele ce sunt trimise in canalele OPC.
float temperaturaExtruder = 0.01; // temperatura reșoului din extruder
Pentru acestea se vor creea pentru fiecare câte o metodă prin care se interpreteză
acțiunile de scrire sau citire ale acestora.
float OPC_temperaturaExtruder(const char *itemID, const opcOperation opcOP,
const float value){
if (op cOP == opc_opwrite) {
temperaturaExtruder = value;
}
else {
return temperaturaExtruder;
}
} // funcția de comunicație prin OPC pentru temperaturaExtruder

Analiză, proiectare, implementare
44 În setup() vom avea adăugarea în canale ale variabilelor cu fun cția de tipul
aOPCSerial.addItem( "tempExtr ", opc_read, opc_float, OPC_temperaturaExtruder);
unde aOPCSerial este variabila OPC mai sus menționată, primul parametru este
numele variabilelei globale, al doilea parametru reprezintă tipul de date iar ultimul este
metoda de gestiune a variabilei. Odată realizate operațiile de mai sus rămâne doar să fie
apelată la interval fix , pentru funcționarea propice , metoda aOPCSerial.
processOPCCommands() . Apelearea acesteia se face prin intreruperi la 10 milisecunde.
Sistemul de intre ruperi se realizeză cu ajutorul Timerului 1. Biblioteca TimerOne.h
facilitează utilizarea acestuia. Odată inclusă librăria vom avea variabila Timer1 cu
metodele Timer1.initialize(10000) și Timer1.attachInterrupt(callback), prima fiind
intervalul de microse cunde la care să apară întreruperea iar a doua fiind atașarea unei
funcții la intreruperea respectivă, așadar apelându -se funcția callback în care avem
aOPCSerial.processOPCCommands() .
Timer1.initialize(10000);
Timer1.attachInterrupt(callback);
void cal lback()
{
aOPCSerial.processOPCCommands();
}
Citirea valorilor analogice ale termistorilor se face cu ajutorul funcției
analogRead(). Se declară pinii analogici pe care avem intrările fizice, în cazul nostru A0
pentru extruder și A1 pentru patul încălzit. Se inițializeză și celelalte valori necesare
interpretări i semnalului cum ar fi rezistenț ele termistorului și rezistența în serie din
montajul divizor de tensiune, temperatura nominală T 0, numărul de valori pentru care
se face media și coeficientul β. În loop() se realizează media valorilor citite la intrare
apoi această valoare este convertită în valoarea rezistenței de unde rămâne să utilizăm
relația (2.4) pentru obținerea valorii temperaturii. Temperatura se obține în K, apoi fiind
convertită la °C. Dacă este necesar, se fac calibrări în funcție de rezultatele unui
termometru de referință. O altă metodă de citire a temperaturii ar fi fost printr -un look –
up table, fiind mai rapidă execuția programului dar mai anevoios de implementat
deoarece este necesară generearea acelui tabel. Generarea unui astfel de tabel necesită
determinarea curbei termistorului. Orice eroare la generarea tabelul ui nu poate fi ușor
remediată , ca în cazul interpretării temperaturii prin calcul unde corecț iile se pot face
prin operații matematice.
#define SERIESRESISTOR_E 100000
#define THERMISTORPIN_E A0
#define THERMISTORNOMINAL_E 100000
#define TEMPERATURENOMINA L_E 25
#define NUMSAMPLES_E 5

Analiză, proiectare, implementare
45 #define BCOEFFICIENT_E 3950 // DE IDENTIFICAT
int samples_E[NUMSAMPLES_E];
uint8_t i;
float average_E;
for (i=0; i< NUMSAMPLES_E; i++) {
samples_E[i] = analogRead(THERMISTORPIN_E);
delay(10);
}
average_E = 0;
for (i=0; i< NUMSAMPLES_E; i++) {
average_E += samples_E[i];
}
average_E /= NUMSAMPLES_E;
average_E = 1023 / average_E – 1;
average_E = SERIESRESISTOR_E / average_E;
float temperatura_E;
temperatura_E = average_E / THERMISTORNOMINAL_E; // (R/Ro)
temperatura_E = log(temperatura_E); // ln(R/Ro)
temperatura_E /= BCOEFFICIENT_E; // 1/B * ln(R/Ro)
temperatura_E += 1.0 / (TEMPERATURENOMINAL_E + 273.15); // + (1/To)
temperatura_E = 1.0 / t emperatura_E; // 1/T
temperatura_E -= 273.15; // conversie la C
temperaturaExtruder = temperatura_E;
Pentru a putea urmării evo luția temperaturilor în ci rcuit fără interfața SCADA
există și un ecran LCD ce comunică cu microcontrollerul prin I2C, folosind pinii A4 și A5
și librăria LiquidCrystal_I2C.h. Se declară o variabila de tipul LiquidCrystal_I2C ,
menționându -se adresa sa Slave, numărul de caractere pe linie și numărul de linii. În
setup() acesta trebuiie inițializat și trimis semnal pentru aprinderea luminii din fundal.
Pentru a scrie un mesaj se setează cursorul cu lcd.setCursor(pozitie caracter, linie) iar
scrierea efectivă se face prin lcd.print(mesaj), unde mesaj este o variabilă de tip String.
LiquidCrystal_I2C lcd(0x3F, 16, 2); // variabila pentru afișarea pe ecranul LCD
lcd.init(); // inițializare LCD
lcd.backlight(); // pornire lumină de fundal
lcd.setCursor(1, 1);

Analiză, proiectare, implementare
46 lcd.print(print_temp_randul2);
Controlul temperaturii prin histerezis se face cu ajutorul unor biți de stare cum ar
incalzireExtruder și răcireExtruder . Dacă sunt îndeplinite condițiile se trimit 5 V în baza
unuia dintre tranzistori folosind digitalWrite() .
if ( (temperaturaExtruder < (SP_temperaturaExtruder +
histerezaTemperaturaExtruder)) && (racireExtruder == false) ){
digitalWrite(releuExtruder, HIGH);
incalzireExtruder = true;
}
if ( (temperaturaExtruder >= (SP_temperaturaExtruder +
histerezaTemperaturaExtruder)) && (incalzireExtruder == true) ) {
digitalWrite(releuExtruder, LOW);
incalzireExtruder = false;
racireExtruder = true;
}
if ( (temperaturaExtruder <= (SP_temperaturaExtruder –
histerezaTemperaturaExtruder)) && (racireExtruder == true) ){
racireExtruder = false;
}
Motorul pas -cu-pas are pe pinii digitali 3 și 4 semnalele de control, pe 4 fiind
direcția și pe 3 semnalul de puls. Semnalul de puls a fost generat prin următoarea
secvență de cod:
for(int x = 0; x < 200; x++) {
digitalWrite(stepPin,HIGH);
delayMicroseconds(4000);
digitalWrite(stepPin,LOW);
delayMicroseconds(4000);
}
unde pinul 3 comută între HIGH și LOW la fiecare 4000 de microsecunde, procesul
repetându -se de 200 ori pentru o rotație completă .
În modul automat, dacă temperaturiile sunt în jurul referinței și nu ies din limita
histerezisului cu mai mult de 2% din valoarea histerezisului atunci se acționează
motorul pas -cu-pas pentru extrudarea filamentului în funcție de cantitatea de filament
necesară. Se consideră finaliztă operațiunea de extrudare când cantitatea de filament
setată ca referință a fost extrudată.

Concluzii
47 4 Concluzii
4.1 Rezultate
Luând în considerare obiectivul lucrării de a controla temperaturile celor două
elemente încălzite considerăm validat sistemul dacă circuitul de comandă și cel de forță
funcționează, sistemul de comunicație OPC și interfața SCADA pot fi utilizate pentru
modificarea valorilor, motorul pas -cu-pas execu tă numărul corect de pași iar
temperaturile se regăsesc în jurul referinței în funcție de histereză.
4.1.1 Validarea circuitului
Pentru a valida circuitul de comandă și forță vom folosi LED -urile de pe montaj
pentru confirmarea prezenței tensiunii în punctele re spctive , dar și de valoarea
curentului în momentul pornirii extruderului. În momentul în care nu avem semnal în
baza tranzistorului avem următoare situație:

Figura 4.1 Semnal LOW în baza tranzistorului
Se poate oberva curentul mic pe ampermetru, ce indi că lipsa un or consumatori
mari. De asemenea pe placa „Relee” avem aprins doar LED -ul Jumbo pentru prezenț ă de
12 V. Când temperatura scade sub pragul inferior al histerezei atunci semnalul în baza
tranzistorului devine HIGH. Pentru acest scenariu avem urmă toarea situație , unde LED –
urile sunt aprinse iar pe ampermetru avem valoare mare a curentului, semn clar că
există un consumator mare, în cazul acesta reșoul extruderului.

Figura 4. 2. Semnal HIGH în baza tranzistorului

Concluzii
48 De asemenea pe ecranul LCD se pot urmării temperaturile ceea ce ne validează
comuncația I2C a microcontrollerului cu acesta.

Figura 4.3. Afișorul LCD cu temperatura extruderului pe primul rând
4.1.2 Validarea comunicației OPC și a interfeței SCADA
Folosind elementele grafice și Database Spy putem observa în figurile de mai jos
schimbarea bitului incepeExtrudarea asociat butonului Comanda Extrudare, starea
acestuia fiind semnalizată cu roșu pentru 0 și verde pentru 1 prin LED -ul din dreapta
butonului. Mai jos există Text Field -uri pentru valor ile numerice, în imagine fiind vizibilă
valoarea temperaturii extruderului și în Text Field dar și în Database Spy .
Testele au fost realizate cu microcontrollerul deconectat de la circuit, temperatura
de -273,15 reprezentând lipsa oricărui semnal pe intrarea analogică. Se poate oberva
starea BAD a unuia dintre tag -uri. Acest fenomen nu trebuie să ne îngrijoreze , de obicei
reprezintă doar o întârziere la comunicație.

Figura 4.4. Validarea comunicației OPC – SCADA – Arduino UNO

4.1.3 Validarea motorului p as-cu-pas
Pentru a valida controlul motorului pas -cu-pas s -a implementat un cod în Arduino
prin care se comandă acestuia să facă o rotație completă într -un sens și două rotații
complete în celelat sens . Motorul s -a pozționat după comandă fară erori seminif cative.
4.1.4 Validarea controlului temperaturilor
Pentru a valida controlul temperaturilor prin relee cu histereză s -au realizat
experimentele în care referința temperaturii extr uderului era 150 °C și histereza de ±5
°C, iar referința patului de imprimare fiind de 60 °C cu o histereză de ±3 °C.

Concluzii
49

Figura 4.5. Răspunsul la controlul temperaturii extrude rului

Figura 4.6. Răspunsul la controlul temperaturii patului de imprimare
Rezultatele se află în jurul referințe i, depăsind pragul de histereză datorită inerției
termice. În cazul temperaturii extruderului avem o eroare de maxim +27,6 °C față de
referință într-unul dintre vârfurile de temperatură , eroarea fiind prezentă la încălzirea
acestuia. În schimb în cazul patului de imprimare avem eroare maximă la r ăcirea
acestuia cu o eroare de -5,03 °C față de referință.
Circuitul proiectat și metoda de control sunt satisfăcătoare luând în considerere
resursele disponibile și prețul acestora.
Contribuțiile personale aduse acestui studiu sunt proiectarea, implemen tarea și
validarea circuitului electronic de comandă , ideea proiectului pornind de la necesitatea

Concluzii
50 controlului temperaturii extruderului și a patului de imprimare fără a avea în prealabil
alte echipamente. De asmenea necesitatea comunicației sistemului de c ontrol folosind
plăcuța Arduino cu sistemul de poziționarea ala axelor folosind PLC -ul OMRON CJ2M a
condus la implementarea comunicației prin OPC și realizarea interfeței SCADA,
informațiile necesare fiind extrase din documentații fără a exista în prealabi l acest canal
de comunicații implementat în vreunul din sisteme .
4.2 Direc ții de dezvoltare
Datorită consumatorilor mari , cu valori de aproximativ 12 A se recomandă
folosirea pe viitor a echipamentelor industriale, rezistente la tensiuni și curenți mari. Se
vor putea utiliza module I/E dedicate PLC -ului OMRON pentru a transfera controlul
extrudării din microcontroller în PLC. De asemenea rezultatele controlului ar putea fi
îmbunătațite prin înlocuirea releelor cu tranzistoare de putere în comutație sau pr in
proiectarea unui regulator pentru relee pornind de la funcția de descrierea a acestora.

Bibliografie
51 5 Bibliografie
5 Bibliografie

[
1] J. Wang, A. Goyanes, S. Gaisford and A. Basit, "Stereolithographic (SLA) 3D
printing of oral modified -release dosage," International Journal of Pharmaceutics,
pp. 1 -2, 2016.
[
2] S. Herle, "Suport de curs CNMU," UTCN, Cluj -Napoca, 2017.
[
3] D. Buchbinder, H. Schleifenbaum, S. Heidrich, W. Meiners and J. Bültmann,
"High Power Selective Laser Melting (HP SLM) of Aluminum Parts," Physics
Procedia, p. 1, 2011.
[
4] E. Palermo, "What is Laminated Object Manufacturing? | 3D Printing,"
LiveScience , 9 10 2013. [Online]. Available: https://www.livescience.com/40310 –
laminated -object -manufacturing.html. [Accessed 15 06 2017].
[
5] Z.-X. Low, Y. T. Chua, B. M. Ray, D. Mattia, I. S. Metcalfe and D. A. Patterson,
"Perspective on 3D printing of separation membranes and comparison to related
unconvetional fabrication techniques," Journal of Membrane Science, pp. 1 -6, 2016.
[
6] R. Munteanu, "Suport de curs MES," UTCN, Cluj -Napoca, 2013.
[
7] L. Szabó, "Suport de curs MEA," UTCN, Cluj -Napoca, 2017.
[
8] I. Nașcu, "Suport de curs CAN," UTCN, Cluj -Napoca, 2014.
[
9] K. Matthews, "The Role of Big Data in Industrial Manufacturers’ Growth,"
Manufacturing tomorrow, 27 06 2017. [Online]. Available:
http://www.manufacturingtomorrow.com/article/2017/06/the -role -of-big-data –
in-industrial -manufacturers%E2%80%99 -growth/9900/. [Accessed 28 06 2017].
[
10] G. G. Florea and L. A. Ochean, "Towards total integration based on OPC
standards," Information Control Problems in Manufacturing IFAC, pp. 1 -6, 2012.
[
11] "What is OPC – OPC Foundation," OPC Foundation, [Online]. Available:
https://opcfoundation.org/about/what -is-opc/. [Accessed 20 6 2017].
[
12] "SCADA – Wikipedia," Wikipedia, Ianua rie 2008. [Online]. Available:
https://en.wikipedia.org/wiki/SCADA. [Accessed 20 06 2017].

<5 Bibliografie
52 [
13] B. Galloway and G. P. Hancke, "Introduction to Industrial Control Networks,"
pp. 4 -7, 11 Iunie 2012.
[
14] R. Bălan, "Organizarea internă a unui sistem de calcul," in Microcontrolere
Structură și aplicații , Cluj -Napoca, Todesco, 2002, pp. 12 -16.

Anexe
53 Anexe
Anexa 1 – Schema electrică generală