[논문 리뷰] Robotic positioning device for three-dimensional printing

Saša Jokić, П.П. Новиков외 4명|arXiv (Cornell University)|2014. 06. 13.

Additive Manufacturing and 3D Printing TechnologiesEngineering참고 문헌 1인용 수 18

한 줄 요약

이 논문은 큰 규모의 퓌저드 디포지션 모델링(Fused Deposition Modeling, FDM) 3D 프린팅을 위한 컴act하고 이동 가능한 로봇 위치 조절 장치를 제안한다. 이 장치는 프린트 헤드의 운동을 고정된 기계적 구조물에서 분리시킴으로써, 기존의 CNC 라우터나 고정된 로봇 암의 크기, 비용, 운반 제약을 초월한다. 자체적으로 운동 제어 기능을 내장한 이동 가능한 로봇 암을 사용함으로써, 큰 복잡한 구조물을 고정된 거더나 궤도 시스템 없이도 제작할 수 있으며, 확장 가능한 현장 기반 적층 제조를 실현한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고정된 CNC 라우터나 로봇 암의 작업 영역 제약으로 인한 대규모 3D 프린팅의 한계를 해결하기 위해.
• 건설 규모의 3D 프린팅을 위한 대규모 고정 위치 장치의 건설 및 운반에 따른 높은 비용과 물류적 과제를 해결하기 위해.
• 고정된 거더나 궤도 시스템이 필요 없는 컴팩트하고 이동 가능한 로봇 시스템을 개발하여 대규모 물체의 FDM 3D 프린팅을 가능하게 하기 위해.
• 이동식이고 자가 구동 가능한 위치 조절 장치를 사용하여 건설 및 인프라 응용 분야에서 현장 기반으로 확장 가능한 적층 제조를 실현하기 위해.

제안 방법

• 고정된 프레임에 의존하지 않고 3D 프린트 헤드를 독립적으로 위치 조절할 수 있도록 내장된 운동 제어 기능을 갖춘 이동 가능한 로봇 암을 설계하기 위해.
• 큰 작업 영역에서 정밀한 다축 운동을 가능하게 하는 운동학 시스템을 구현하기 위해.
• 열가소성 재료를 층층이 축적하는 데 핵심이 되는 퓌저드 디포지션 모델링(Fused Deposition Modeling, FDM)을 핵심 3D 프린팅 공정으로 사용하기 위해.
• 이동 중에도 정확한 프린트 정밀도와 경로 유지성을 확보하기 위해 실시간 제어 알고리즘을 통합하기 위해.
• 시스템을 자가 구동하고 이동 가능한 형태로 유지하여 다양한 현장 환경에서의 구현 가능성을 확보하기 위해.
• 기계적 복잡성과 점유 면적을 최소화하면서도 작업 영역 커버리지와 프린팅 확장성을 극대화하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고정된 CNC 기계의 제약 없이 이동 가능한 로봇 위치 조절 시스템이 대규모 FDM 3D 프린팅을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 작동 정밀도와 작업 영역의 유연성 측면에서 이동 가능한 로봇 암의 성능이 고정된 거거 시스템과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ3 컴팩트하고 자가 구동 가능한 로봇 장치가 현장 기반의 확장 가능한 건설 3D 프린팅을 어느 정도 지원할 수 있는가?
• RQ4 큰 구조물에 걸쳐서 프린트 품질을 유지하는 데 있어 이동 가능한 로봇 위치 조절의 실질적 제약은 무엇인가?
• RQ5 FDM 3D 프린팅에서 연속적인 대면적 증착을 위해 로봇 운동 제어를 어떻게 최적화할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 로봇 위치 조절 장치는 고정된 기계 크기에 구애받지 않고 대규모 물체의 FDM 3D 프린팅을 가능하게 하여 기존의 작업 영역 제약을 극복한다.
• 고정된 프레임에서 프린트 헤드의 운동을 분리함으로써 시스템은 다양한 현장 환경에서의 구현이 가능하며, 확장 가능한 프린팅을 실현한다.
• 이동 가능한 로봇 암은 FDM 공정에 필요한 충분한 정밀도를 유지하여 프린트된 부품의 구조적 안정성과 치수 정밀도를 보장한다.
• 큰 고정된 거거 시스템이 필요 없어짐으로써 대규모 3D 프린팅 인프라의 비용과 물류 부담을 감소시킨다.
• 작고 이동 가능한 로봇 플랫폼을 사용하여 현장 기반의 건설 규모의 적층 제조가 가능하다는 것이 입증되었다.
• 이 방법은 복잡한 대규모 건축 부품 제작을 지원하는 연속적인 증착을 가능하게 하여 확장 가능한 대면적 제작을 실현한다.