[논문 리뷰] Process Monitoring of Extrusion Based 3D Printing via Laser Scanning

Matthias G.R. Faes, Frederik Vogeler외 5명|arXiv (Cornell University)|2014. 01. 01.

Additive Manufacturing and 3D Printing Technologies참고 문헌 5인용 수 32

한 줄 요약

이 논문은 적층 제조 공정 중 기하학적 편차를 감지하기 위해 2차원 레이저 삼각측량 스캐너를 사용하는 실시간 공정 모니터링 시스템을 제안한다. 시스템은 와이드 및 높이를 약 10 µm의 정밀도로 측정하여 측정 오차를 보정하고 레이어 두께 오류를 보정하는 온라인 피드백을 가능하게 하며, 결함 제로 제조 전략을 지원한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 적층 제조 공정 중 레이어 적층 중 기하학적 편차를 감지하기 위한 실시간 모니터링 시스템을 개발한다.
• FDM 3D 프린터에 컴act한 2차원 레이저 삼각측량 센서를 통합하여 트랙 기하학적 형상을 실시간 측정한다.
• 측정된 편차를 이용해 레이어 두께를 조정하거나 CAD 모델을 동적으로 재스라이싱하여 피드백 제어를 실현한다.
• 부품 제작 과정의 초기 단계에서 오류를 감지하고 보정함으로써 결함 제로 적층 제조 비전을 지원한다.
• FDM 프린팅에서 레이저 기반 기하학적 센싱을 통한 실시간 공정 제어의 가능성을 검증한다.

제안 방법

• 모듈식 2차원 레이저 삼각측량 스캐너를 적층 제조 기반 3D 프린터에 통합하여 적층된 열가소성 재료 트랙의 실시간 3차원 프로파일 데이터를 캡처한다.
• 이미지에서 레이저 선 프로파일을 추출하고 타원에 피팅하여 1 µm 이내 정밀도로 트랙 폭과 높이를 결정한다.
• 다양한 열가소성 재료(PLA, ABS)에 대해 측정 오차를 분석하여 재료에 따른 빛 산란 영향을 평가한다.
• 다양한 재료에서 시스템을 테스트하였으며, 오차 분석 결과 평균 편차는 8.55 µm로 나타났고, 반투명한 흰색 ABS에서는 최대 13.86 µm의 편차를 보였다.
• 피드백 전략으로는 피드 속도 또는 이동 속도 제어를 통한 동적 레이어 두께 조정과 CAD 모델의 실시간 재스라이싱을 제안하였다.
• 이 접근법은 품질 제어를 위해 보정(피드백 모드)과 예측(프리드롬 모드)을 모두 지원한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2차원 레이저 삼각측량 시스템은 FDM 공정에서 실시간 공정 제어에 필요한 충분한 정밀도로 적층된 열가소성 트랙의 기하학적 편차를 감지할 수 있는가?
• RQ2 색상 및 반투명성과 같은 재료 특성이 빛 산란로 인해 레이저 측정 정밀도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 레이어 단위로 적층하는 3D 프린팅 중 z축 오차를 보정하기 위해 가장 효과적인 피드백 전략은 무엇인가?
• RQ4 온라인 모니터링을 통해 차원 오차를 감소시키고 부적합한 부품을 방지하는 닫힘 루프 제어 시스템을 구현할 수 있는가?
• RQ5 기존 FDM 시스템에 레이저 기반 기하학적 센싱을 통합하여 결함 제로 제조를 지원할 수 있는가?

주요 결과

• 레이저 삼각측량 시스템은 약 10 µm의 측정 정밀도를 확보하였으며, 재료 간 평균 오차는 8.55 µm였다.
• grayscale ABS 재료는 가장 우수한 측정 성능을 보였으며 평균 오차는 6.15 µm였고, 반투명 재료인 흰색 ABS는 빛 산란로 인해 높은 오차(13.86 µm)를 보였다.
• 시스템은 적층 중 실시간 3차원 프로파일을 성공적으로 캡처하였고, 공정 중 기하학적 편차 감지를 가능하게 하였다.
• 가장 높은 측정 오차는 반투명 재료에서 관측되었으며, 이는 재료의 광학적 성질이 센서 정밀도에 상당한 영향을 미친다는 것을 시사한다.
• 제안된 피드백 전략은 피드 속도 또는 이동 속도 제어를 통한 동적 레이어 두께 조정과 편차 보정을 위한 CAD 모델의 실시간 재스라이싱을 포함한다.
• 본 연구는 레이저 기반 기하학적 센싱을 FDM 시스템에 통합하여 실시간 품질 제어를 가능하게 하고 결함 제로 제조를 지원할 수 있음을 입증하였다.