[論文レビュー] Process Monitoring of Extrusion Based 3D Printing via Laser Scanning

Matthias G.R. Faes, Frederik Vogeler+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2014

Additive Manufacturing and 3D Printing Technologies参考文献 5被引用数 32

ひとこと要約

本稿では、溶融付加造形（FDM）における積層工程中に幾何的偏差を検出するために、2次元レーザー断面測定スキャナを用いたリアルタイムプロセスモニタリングシステムを提案する。このシステムは、押出された軌道の幅と高さを約10 µmの精度で測定でき、レイヤー厚さの誤差をオンラインで補正するためのフィードバック制御を可能にし、ゼロ欠陊製造戦略を支援する。

ABSTRACT

Extrusion based 3D Printing (E3DP) is an Additive Manufacturing (AM) technique that extrudes thermoplastic polymer in order to build up components using a layerwise approach. Hereby, AM typically requires long production times in comparison to mass production processes such as Injection Molding. Failures during the AM process are often only noticed after build completion and frequently lead to part rejection because of dimensional inaccuracy or lack of mechanical performance, resulting in an important loss of time and material. A solution to improve the accuracy and robustness of a manufacturing technology is the integration of sensors to monitor and control process state-variables online. In this way, errors can be rapidly detected and possibly compensated at an early stage. To achieve this, we integrated a modular 2D laser triangulation scanner into an E3DP machine and analyzed feedback signals. A 2D laser triangulation scanner was selected here owing to the very compact size, achievable accuracy and the possibility of capturing geometrical 3D data. Thus, our implemented system is able to provide both quantitative and qualitative information. Also, in this work, first steps towards the development of a quality control loop for E3DP processes are presented and opportunities are discussed.

研究の動機と目的

• 溶融付加造形における積層工程中に幾何的偏差を検出するリアルタイムモニタリングシステムの開発。
• FDM 3Dプリンタにコンactな2次元レーザー断面測定センサを統合し、軌道幾何形状のオンライン測定を実現。
• 測定された偏差を用いてレイヤー厚さを調整するか、CADモデルを動的に再スライスすることで、クローズドループフィードバック制御を実現。
• 部品の製造工程の初期段階で誤差を検出し補正することで、ゼロ欠陊付加造形のビジョンを支援。
• FDMプロセスにおけるオンラインプロセス制御の実現可能性を、レーザーを用いた幾何的センシングによって検証。

提案手法

• 溶融付加造形用3Dプリンタにモジュラーな2次元レーザー断面測定スキャナを統合し、堆積された熱可塑性材料の軌道のリアルタイム3次元プロファイルデータを取得。
• 画像からレーザーラインの断面を抽出し、楕円にフィットさせて、サブミクロンの精度で軌道幅と高さを特定。
• 異なる熱可塑性材料（PLA、ABS）における測定誤差を分析し、材料に依存する光拡散効果を評価。
• さまざまな材料を用いたテストにおいて、誤差分析の結果、平均偏差は8.55 µm、透明な白色ABSでは最大13.86 µmを記録。
• フィードバック戦略として、フィードレートまたは移動速度制御による動的レイヤー厚さ調整、およびCADモデルのリアルタイム再スライスを提案。
• 品質管理において、補正（フィードバックモード）と予測（フォワードモード）の両方を支援する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2次元レーザー断面測定システムは、FDMにおける押出された熱可塑性軌道の幾何的偏差を、リアルタイムプロセス制御に十分な精度で検出できるか？
• RQ2 色や透明性といった材料特性が、光拡散によってレーザー測定精度にどのように影響するか？
• RQ3 積層式3Dプリンティングにおけるz方向の誤差を補正するための最も効果的なフィードバック戦略は何か？
• RQ4 オンラインモニタリングにより、寸法誤差を低減し部品の不合格を防ぐクローズドループ制御システムを実現できるか？
• RQ5 既存のFDMシステムに、レーザーを用いた幾何的センシングをどのように統合し、ゼロ欠陊製造を支援できるか？

主な発見

• レーザー断面測定システムは、約10 µmの測定精度を達成し、材料を問わず平均誤差は8.55 µmであった。
• グレーABSは測定性能が最も優れており（平均誤差6.15 µm）、透明性の高い材料（白色ABSなど）は光拡散のため誤差が大きくなり（最大13.86 µm）、顕著に影響を受ける。
• システムは、実際に堆積された軌道のリアルタイム3次元プロファイルを正常に取得し、印刷中の幾何的偏差の検出に成功した。
• 最大の測定誤差は透明性の高い材料で観測され、材料の光学的特性がセンサの測定精度に顕著に影響することが示された。
• 提案されたフィードバック戦略には、フィードレートまたは移動速度の動的調整によるレイヤー厚さの制御、および偏差を補正するためのCADモデルのリアルタイム再スライスが含まれる。
• 本研究では、FDMシステムにレーザーを用いた幾何的センシングを統合し、リアルタイム品質管理を実現し、ゼロ欠陊製造を支援する可能性を示した。