3D-tulostimen toiminnan tehostaminen lämpökamerakuvantamisen avulla

Abstract

Työssä suunniteltiin ja toteutettiin ESP32-alustalle ohjelmisto, jonka avulla 3D-tulostimen suuttimen ympärille sijoitettavien lämpökameroiden avulla voidaan laskea 3D-tulostimen toimintaa edistäviä dataparametrejä sen käytön aikana ja lähettää ne eteenpäin tietokantaan reaaliajassa. Työssä rakennettiin tarvittava laitteisto ESP32-laitteiden ja lämpökameroiden välille sekä hyödynnettiin konetekniikan opiskelijan testausta varten toteuttamaa telinettä lämpökameroille.

Työn teoreettinen osuus, lämpökameradatan käsittely, rakentuu pohjimmiltaan Pythagoraan lauseesta ja trigonometrisistä funktioista johdettavien suhteiden päälle. Ohjelmassa tarkkaillaan neljän lämpökameran yhdessä muodostamasta kuvasta ympyränmuotoista säiettä pikseleitä tulostimen suuttimen kohdistuspisteen ympäriltä. Näistä lasketaan tulostetun aineksen leveys, lämpötila ja kulma kokonaiskuvaan nähden, eli tulostimen kulkusuunta. Kamerat ovat 45° kulmassa pöytätasoon nähden, joten aineksen leveyden laskemiseksi kameradatalle tehdään perspektiivikorjaus.

Jokaisella lämpökameralla on oma ESP32-ohjausyksikkönsä, mutta datan käsittely tehdään keskitetysti viidennellä ESP32-laitteella. Tätä varten koodissa toteutettiin myös Bluetooth-yhteys keskuslaitteen ja kamerayksiköiden välille. Keskuslaite lähettää datan käsiteltyään dataparametrit Wi-Fin MQTT-välittäjälaitteelle, joka on yhteydessä tietokantaan.

Työn toteutuksessa onnistuttiin datankäsittelyvaiheeseen asti, jonka toteutusta ei saatu toimimaan opinnäytetyöprosessin päättymiseen mennessä. MQTT-yhteyden toteutus ei myöskään ole osa tätä opinnäytetyötä.

In this thesis work, a software was designed and realised for the ESP32 board that calculates useful parameters useful for controlling a 3D printer from the data of thermal cameras placed around the 3D printer's nozzle and forwards them to a database in real time. Necessary hardware was built between the ESP32 boards and the thermal cameras, and a stand intended for testing the cameras made by a Mechanical Engineering student was utilised.

The theoretical part of this thesis, the data processing section, builds mainly upon the ratios derived from the Pythagorean theorem and trigonometric functions. The coded program monitors a circular strand of pixels in the thermal image comprised of the data of four thermal cameras pointed at the target point of the printer. Data parameters derived from these pixels include width of the newly printed material, its temperature, and its angle in comparison to the full picture, i.e., the direction of the printer's movement. The cameras are at a 45° angle to the tabletop, thus, a perspective correction is applied to the image data for calculating the width.

Each thermal camera has its own ESP32 control unit, but the processing of the data is performed centrally on a fifth ESP32 device. For this purpose, code for Bluetooth connectivity between the central device and the camera control units was implemented. After processing the data, the central device sends the data parameters through Wi-Fi to a MQTT broker that is connected to the database.

The realisation of the work was successful up until the data processing step, which could not be made functional in time. The implementation of the MQTT connection is also out of scope of this thesis.