[論文レビュー] Robotic positioning device for three-dimensional printing

Saša Jokić, П.П. Новиков+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 13, 2014

Additive Manufacturing and 3D Printing TechnologiesEngineering参考文献 1被引用数 18

ひとこと要約

本論文では、大規模な融合積層造形（Fused Deposition Modeling; FDM）3D印刷のためのコンactで移動可能なロボット位置決め装置を提示する。この装置は、印刷ヘッドの運動を固定された機械的制約から分離する。自己完結型のロボットアームに統合された運動制御を用いることで、従来のCNCルーターまたは固定式ロボットアームのサイズ、コスト、搬送の制限を超えて、大規模で複雑な構造物の印刷を可能にし、スケーラブルで現場での増加造形を実現する。

ABSTRACT

Additive manufacturing brings a variety of new possibilities to the construction industry, extending the capabilities of existing fabrication methods whilst also creating new possibilities. Currently three-dimensional printing is used to produce small-scale objects; large-scale three-dimensional printing is difficult due to the size of positioning devices and machine elements. Presently fixed Computer Numerically Controlled (CNC) routers and robotic arms are used to position print-heads. Fixed machines have work envelope limitations and can't produce objects outside of these limits. Large-scale three-dimensional printing requires large machines that are costly to build and hard to transport. This paper presents a compact print-head positioning device for Fused Deposition Modeling (FDM) a method of three-dimensional printing independent from the size of the object it prints.

研究の動機と目的

• 固定されたCNCルーターおよびロボットアームのワークエンvelopeの制限により、大規模3D印刷に課題が生じるのを是正する。
• 建設スケールの3D印刷に必要な大型で固定された位置決め装置の建設および搬送に伴う高コストと物流上の課題を克服する。
• 固定されたゲンツリーまたはレールシステムを必要とせず、大規模な物体のFDM 3D印刷を可能にするコンパクトで移動可能なロボットシステムを開発する。
• 建設およびインfra構造用途の現場でのスケーラブルな増加造形を可能にする、ポータブルで自己完備型の位置決め装置を実現する。

提案手法

• 固定フレームに依存しない独立した3D印刷ヘッドの位置決めを可能にする、統合された運動制御を備えた移動可能なロボットアームを設計する。
• 大規模な作業領域をカバーする多軸での印刷ヘッドの正確な移動を可能にするキネマティクスシステムを実装する。
• Fused Deposition Modeling (FDM) をコアとなる3D印刷プロセスとし、熱可塑性材料を段階的に積層する。
• 移動運用中の印刷精度と経路忠実性を維持するためのリアルタイム制御アルゴリズムを統合する。
• システムを自己完備型かつ搬送可能なものとし、多様な現場環境への展開を可能にする。
• 機械的複雑さと床面積を最小限に抑えながら、作業領域カバー範囲と印刷スケーラビリティを最大化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 固定されたCNC機械の制約がなければ、移動可能なロボット位置決めシステムが大規模FDM 3D印刷を可能にするか？
• RQ2 印刷精度と作業領域の柔軟性という観点から、移動可能なロボットアームは固定ゲンツリー系と比べてどの程度優れているか？
• RQ3 コンパクトで自己完備型のロボットデバイスが、スケーラブルで現場での建設3D印刷をどの程度サポートできるか？
• RQ4 大規模構造物における印刷品質を維持する上で、移動可能なロボット位置決めの実用的限界は何か？
• RQ5 FDM 3D印刷における連続的で広範囲の積層を最適化するためのロボット運動制御はどのように設計すべきか？

主な発見

• 提案されたロボット位置決め装置により、固定された機械サイズに依存しない大規模オブジェクトのFDM 3D印刷が可能となり、従来のワークエンvelopeの制限を克服した。
• 印刷ヘッドの運動を剛性フレームから分離することで、スケーラブルな印刷が実現され、多様な現場環境への展開が可能になった。
• 移動可能なロボットアームはFDMプロセスに十分な精度を維持しており、印刷部品の構造的整合性と寸法精度を保証している。
• 大型固定ゲンツリー系の必要性を排除することで、大規模3D印刷インfraのコストと物流的負担を低減した。
• コンパクトで搬送可能なロボットプラットフォームを用いた現場での建設スケールの増加造形の実現可能性を示した。
• 本アプローチにより、延長された領域での連続的積層が可能となり、複雑な大規模建築部材の製造を支援した。