[论文解读] Fast Desktop-Scale Extrusion Additive Manufacturing

Jamison Go, A. John Hart|arXiv (Cornell University)|Jul 2, 2017

Additive Manufacturing and 3D Printing Technologies参考文献 13被引用 5

一句话总结

本文提出 FastFFF，一种桌面级熔融挤出增材制造系统，通过集成螺母进料挤出机、激光加热聚合物熔融腔以及伺服驱动的并联龙门架，实现体积成形速率相比商用 FFF 系统提升 7 倍（127 cm³/hr），显著提升挤出力、加热速度与运动速度，克服传统 FFF 的速率限制因素，实现高速打印的同时保持相近的分辨率。

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.

研究动机与目标

• 解决桌面级熔融丝材制造（FFF）生产率低下作为增材制造（AM）普及的关键障碍。
• 识别并克服传统 FFF 中的速率限制机制，包括加热缓慢、挤出力不足以及运动速度受限。
• 开发一种紧凑型、高速挤出 AM 系统，适用于桌面使用，性能超越商用基准。
• 通过大幅缩短打印时间，实现快速原型设计与定制化的新工作流程。

提出的方法

• 采用螺母进料挤出机以提供高挤出力，克服丝材进给过程中的材料阻力。
• 集成光纤耦合二极管激光器，实现在紧凑打印头内对聚合物丝材的快速、局部加热。
• 设计伺服驱动的并联龙门架系统，实现打印头在打印平台上的高速、高精度运动。
• 利用激光加热增强的热传导实现快速且稳定的聚合物熔化。
• 紧凑型打印头设计，将挤出机、加热元件与丝材进给机构集成于单一单元。
• 系统级优化运动与沉积速率，平衡速度、分辨率与控制性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 传统桌面级 FFF 系统中，制约成形速度的主要速率限制因素是什么？
• RQ2 如何同时优化挤出力、加热速度与龙门架运动，以提升增材制造吞吐量？
• RQ3 在不牺牲分辨率的前提下，紧凑型桌面级系统能在多大程度上实现超越商用 FFF 系统的性能？
• RQ4 在高速挤出增材制造中，成形速率与几何分辨率之间的权衡关系如何？
• RQ5 高速运动与沉积对路径规划与实时控制需求有何影响？

主要发现

• FastFFF 系统实现 127 cm³/hr 的体积成形速率，相较基准商用桌面级 FFF 系统提升 7 倍。
• 打印头最大挤出速率达 282 cm³/hr，约为商用系统的 14 倍。
• 系统性能受限于打印头的沉积能力与龙门架最大速度，表明存在双重瓶颈。
• 高速打印开启新应用场景，例如数分钟内完成手持部件的打印，而非数小时。
• 量化了成形速率与分辨率之间的权衡关系，表明在与标准 FFF 相当的分辨率下仍可实现高速打印。
• 激光加热与热传导及机械进给的集成，实现了高速运行所必需的快速且稳定的聚合物熔化。