[논문 리뷰] Fast Desktop-Scale Extrusion Additive Manufacturing

Jamison Go, A. John Hart|arXiv (Cornell University)|2017. 07. 02.

Additive Manufacturing and 3D Printing Technologies참고 문헌 13인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 나사식 공급 방식의 프린터, 레이저 가열 폴리머 용해 장치, 서보 구동 평행 게이트리 시스템을 통합함으로써 기존 상용 FFF 시스템 대비 체적 구축 속도를 7배 향상시킨 데스크톱 규모의 압출 적층 제조 시스템인 FastFFF를 제시한다. 이 시스템은 높은 분사력, 빠른 가열, 빠른 운동을 통해 기존 FFF의 속도 제한 요인을 극복하여 해상도를 유지하면서 고속 인쇄를 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 데스크톱 규모의 융합 필라멘트 제조(FFF)의 낮은 생산률이 적층 제조의 보급을 가로막는 주요 장애 요인임을 해결하기 위해.
• 기존 FFF에서의 속도 제한 메커니즘(느린 가열, 낮은 분사력, 제한된 운동 속도)을 규명하고 이를 극복하기 위해.
• 상용 기준을 초월하는 성능을 갖춘 소형 고속 압출 적층 제조 시스템을 개발하여 데스크톱 환경에 적합하게 만들기 위해.
• 인쇄 시간을 극적으로 단축시켜 빠른 프로토타이핑 및 맞춤화 신규 워크플로우를 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 재료 저항을 극복하기 위해 고분사력을 제공하는 나사식 공급 분사 장치를 구현함으로써.
• 작은 프린터 헤드 내에서 폴리머 필라멘트를 빠르고 국소적으로 가열하기 위해 섬유 커플링된 다이오드 레이저를 통합함으로써.
• 프린터 헤드를 빌드 플랫폼 위에서 고속으로 정밀하게 이동시키기 위해 서보 구동 평행 게이트리 시스템을 설계함으로써.
• 도전성 열전달과 레이저 가열을 조합하여 고속이고 일관된 폴리머 용해를 달성함으로써.
• 분사 장치, 가열 요소, 필라멘트 공급 메커니즘을 하나의 통합 단위에 통합한 소형 프린터 헤드 설계를 함으로써.
• 속도, 해상도, 제어를 균형 잡기 위해 운동 및 침착 속도를 체계적으로 최적화함으로써.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존 데스크톱 규모의 FFF 시스템에서 구축 속도를 제한하는 주요 요인는 무엇인가?
• RQ2 분사력, 가열 속도, 게이트리 운동을 동시에 최적화하여 적층 제조 처리량을 어떻게 높일 수 있는가?
• RQ3 소형 데스크톱 규모 시스템이 해상도를 유지하면서도 상용 FFF 시스템을 초월하는 성능을 달성할 수 있는 정도는 어느 정도인가?
• RQ4 고속 압출 적층 제조에서 구축 속도와 기하학적 해상도 사이의 상충 관계는 어떻게 나타나는가?
• RQ5 고속 운동과 침착이 도구 경로 계획 및 실시간 제어 요구 사항에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• FastFFF 시스템은 체적 구축 속도 127 cm³/hr를 달성하여 기준으로 삼은 상용 데스크톱 FFF 시스템 대비 7배 향상되었다.
• 프린터 헤드는 최대 282 cm³/hr의 분사 속도를 기록했으며, 이는 상용 시스템 대비 약 14배 높은 수준이다.
• 시스템의 성능은 프린터 헤드의 침착 용량과 게이트리의 최대 속도에 의해 제한되며, 이는 이중 병목 현상을 시사한다.
• 고속 인쇄는 수분 내로 손에 쥐고 다니는 부품를 제작하는 등의 새로운 응용 가능성을 열어준다.
• 구축 속도와 해상도 사이의 상충 관계가 정량화되었으며, 표준 FFF 수준의 해상도를 유지하면서도 고속 인쇄가 가능함을 보여준다.
• 레이저 가열과 도전성 열전달, 기계적 공급 방식의 통합은 고속 운용에 필수적인 빠르고 안정적인 폴리머 용해를 가능하게 한다.