[論文レビュー] Force Controlled Printing for Material Extrusion Additive Manufacturing

Xavier Guidetti, Nathan Mingard+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2024

Additive Manufacturing and 3D Printing Technologies被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、材料押出し3D印刷におけるリアルタイムの押出し力フィードバックを用いて材料流量を制御する閉ループ制御フレームワーク、Force Controlled Printing (FCP) を導入する。押出し力とライン幅の相関関係を活用することで、ノズル径の33–233%の広い範囲で正確な幅制御を実現し、床面のレベル調整の著しいずれい（20–200%の名目値）に対しても印刷品質を維持する。従来のフィードフォワード手法に比べて最小限のチューニングで優れた性能を発揮する。

ABSTRACT

In material extrusion additive manufacturing, the extrusion process is commonly controlled in a feed-forward fashion. The amount of material to be extruded at each printing location is pre-computed by a planning software. This approach is inherently unable to adapt the extrusion to external and unexpected disturbances, and the quality of the results strongly depends on a number of modeling and tuning parameters. To overcome these limitations, we propose the first framework for Force Controlled Printing for material extrusion additive manufacturing. We utilize a custom-built extruder to measure the extrusion force in real time, and use this quantity as feedback to continuously control the material flow in closed-loop. We demonstrate the existence of a strong correlation between extrusion force and line width, which we exploit to deposit lines of desired width in a width range of 33 % up to 233 % of the nozzle diameter. We also show how Force Controlled Printing outperforms conventional feed-forward extrusion in print quality and disturbance rejection, while requiring little tuning and automatically adapting to changes in the hardware settings. With no adaptation, Force Controlled Printing can deposit lines of desired width under severe disturbances in bed leveling, such as at layer heights ranging between 20 % and 200 % of the nominal height.

研究の動機と目的

• FFFにおけるフィードフォワード押出し制御の限界、すなわち歪みやモデル誤差に敏感である点を是正すること。
• 測定された押出し力に基づいて押出しを適応的に制御するリアルタイムで閉ループな制御システムの開発。
• 床面のレベル調整の誤差が著しい状況を含め、広範な印刷条件において一貫したライン幅制御を実現すること。
• 事前計算されたコマンドに依存するのではなく、現場での力フィードバックを用いることで、正確なキャリブレーションやモデル化への依存を低減すること。
• 継続的な力データ収集を通じて、現場でのプロセスモニタリングおよび部品認証を前進させること。

提案手法

• 統合されたロードセルを備えたカスタム製エクストルーダーが、材料の押出し中に発生する反力（反力）をリアルタイムで測定する。
• 測定された押出し力が、フィードバックとして閉ループ制御システムに用いられ、フィラメントの供給レートを制御する。
• 比例積分（PI）コントローラーが、一定の力リファレンスを追従するようにエクストルーダーのモーター回転数を調整し、一貫した材料供給を実現する。
• 広範な印刷条件において、押出し力と供給されたライン幅との間には線形相関があることが実験的に検証された。
• 歪みの影響を評価するために、変動するレイヤー高さ（名目値の20–200%）および材料供給レートの下でシステムをテストした。
• 同一のハードウェアおよび印刷パラメータを用いて、従来のスライシングベースのフィードフォワード制御と比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 リアルタイムの押出し力測定は、FFFにおける材料供給のロバストで閉ループな制御を可能にするか？
• RQ2 多様な印刷条件において、押出し力と供給されたライン幅との間に信頼性の高い線形関係が存在するか？
• RQ3 床面のレベル調整の誤差などの歪みに対して、FCPは再チューニングなしでどの程度の耐性を示すか？
• RQ4 ライン幅の正確性および表面品質の観点から、FCPは従来のフィードフォワード押出し制御に比べてどの程度優れているか？
• RQ5 力センサのデータは、FFFにおける現場でのプロセスモニタリングおよび部品認証に利用可能か？

主な発見

• 押出し力と供給されたライン幅との間に強く明確な線形相関が観察され、ノズル径の33%～233%の範囲で正確な幅制御が可能となった。
• FCPは、レイヤー高さが名目値の20%～200%に変動しても、一貫したライン幅と表面品質を維持した。これは、フィードフォワード印刷では著しく劣化する条件である。
• 床面のレベル調整の誤差やフィラメントのスリップといった歪みの影響下でも、幾何学的正確性および表面品質の両面で、従来のフィードフォワード押出し制御を上回った。
• FCPには、プロセスモデル化やチューニングの必要がなく、ハードウェアやパラメータの変化に対してもロバストであった。
• システムは、予期しない歪みを含む印刷条件の変化に対しても、再設定なしに自動的に適応した。
• 力センサのデータは、現場でのモニタリングを可能にし、今後のFFFにおける部品認証および異常検出の基盤を提供した。