[論文レビュー] Fast Desktop-Scale Extrusion Additive Manufacturing

Jamison Go, A. John Hart|arXiv (Cornell University)|Jul 2, 2017

Additive Manufacturing and 3D Printing Technologies参考文献 13被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、ナットフィード型エクストルーダ、レーザ加熱型ポリマー溶解装置、サーボ駆動平行ガントリの統合により、商業用FFFシステム比で体積的積層速度が7倍向上する（127 cm³/hr）デスクトップスケールの増加造造造形システム、FastFFFを提示する。従来のFFFにおける速度制限要因を克服するため、高圧力のエクストルージョン、急速加熱、高速移動を実現し、同等の解像度を維持しながら高速成形を可能にする。

ABSTRACT

Significant improvements to the production rate of additive manufacturing (AM) technologies are essential to their cost-effectiveness and competitiveness with traditional processing routes. Moreover, much faster AM processes, in combination with the geometric versatility of AM, will enable entirely new workflows for product design and customization. We present the design and validation of a desktop-scale extrusion AM system that achieves far greater build rate than benchmarked commercial systems. This system, which we call FastFFF, is motivated by our recent analysis of the rate-limiting mechanisms to conventional fused filament fabrication (FFF) technology. The FastFFF system mutually overcomes these limits, using a nut-feed extruder, laser-heated polymer liquefier, and servo-driven parallel gantry system to achieve high extrusion force, rapid filament heating, and fast gantry motion, respectively. The extrusion and heating mechanisms are contained in a compact printhead that receives a threaded filament and augments conduction heat transfer with a fiber-coupled diode laser. The prototype system achieves a volumetric build rate of 127 cm3/hr, which is 7-fold greater than commercial desktop FFF systems, at comparable resolution; the maximum extrusion rate of the printhead is ~14-fold greater (282 cm3/hr). The performance limits of the printhead and motion systems are characterized, and the tradeoffs between build rate and resolution are assessed and discussed. The combination of high-speed motion and high deposition rate achieved by the FastFFF technology also poses challenges and opportunities for toolpath optimization and real-time deposition control. High-speed desktop printing raises the possibility of new use cases and business models for AM, where handheld parts are built in minutes rather than hours.

研究の動機と目的

• デスクトップスケールのフィラメント溶融成形（FFF）における低生産性がAMの普及を妨げる主な障壁であることを解決すること。
• 従来のFFFにおける速度制限要因（遅い加熱、低エクストルージョン力、制限された移動速度）を特定し、克服すること。
• 商業ベンチマークを上回る性能を発揮するが、コンactなデスクトップ用の高精度エクストルージョンAMシステムを開発すること。
• 印刷時間の大幅短縮により、急速プロトタイピングおよびカスタマイズのための新しいワークフローを可能にすること。

提案手法

• フィラメント供給における材料抵抗を克服するため、高エクストルージョン力を発揮するナットフィード型エクストルーダの実装。
• 小型プリンターのヘッド内でのポリマーフィラメントの局所的急速加熱を実現するため、ファイバー結合ダイオードレーザの統合。
• ビルドプラットフォーム上をプリンターのヘッドを高速かつ高精度で移動させるために、サーボ駆動平行ガントリシステムの設計。
• レーザ加熱と熱伝導を組み合わせた方式により、迅速かつ一貫性のあるポリマー溶解を実現。
• エクストルーダ、加熱素子、フィラメント供給機構を1つの統合ユニットに収めたコンパクトなプリンターのヘッド設計。
• 速度、解像度、制御性のバランスを取るために、運動と積層速度のシステムレベル最適化。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 従来のデスクトップスケールFFFシステムにおいて、積層速度を制限する主な要因は何か？
• RQ2 エクストルージョン力、加熱速度、ガントリの移動速度を同時に最適化することで、AMのスループットをどの程度向上できるか？
• RQ3 解像度を損なわず、コンパクトなデスクトップスケールシステムが商業用FFFシステムを上回る性能を達成できる範囲はどの程度か？
• RQ4 高速エクストルージョンAMにおいて、積層速度と幾何的解像度の間にはどのようなトレードオフがあるか？
• RQ5 高速移動と積層が、ツールパス計画およびリアルタイム制御要件にどのような影響を与えるか？

主な発見

• FastFFFシステムは、127 cm³/hrの体積的積層速度を達成し、ベンチマーク化された商業用デスクトップFFFシステム比で7倍の向上を実現した。
• プリンターのヘッドは最大282 cm³/hrのエクストルージョンレートを達成し、商業用システム比で約14倍の高出力であった。
• システムの性能は、プリンターのヘッドの積層能力とガントリの最大速度の両方によって制限されており、二重のボトルネックであることが示された。
• 高速成形により、ハンドヘルド部品を数分で作成できるといった、新たな用途が可能になった。
• 積層速度と解像度のトレードオフが定量的に評価され、標準的なFFFと同等の解像度を維持したまま高速成形が実現可能であることが示された。
• レーザ加熱と熱伝導、機械的供給の統合により、高速動作に不可欠な迅速かつ安定したポリマー溶解が実現された。