[论文解读] 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 1

一句话总结

本文提出力控打印（Force Controlled Printing, FCP），一种用于材料挤出3D打印的闭环控制框架，通过实时挤出力反馈调节材料流量。通过将挤出力与线宽相关联，FCP在喷嘴直径的33%至233%范围内实现了精确的线宽控制，并在严重床面调平扰动（20–200%标称高度）下仍保持高质量打印，优于传统前馈方法，且仅需极少调参。

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.

研究动机与目标

• 解决FFF中前馈挤出控制的局限性，其对干扰和建模误差敏感。
• 开发一种基于实测挤出力的实时闭环控制系统，以自适应调节挤出量。
• 在包括严重床面调平误差在内的广泛打印条件下，实现一致的线宽控制。
• 通过使用现场力反馈而非预计算指令，降低对精确校准和建模的依赖。
• 通过持续采集力数据，推进现场过程监控与零件认证。

提出的方法

• 使用集成式负荷传感器的自定义挤出机，实时测量材料挤出过程中的反作用力。
• 将测得的挤出力用作闭环控制系统中的反馈信号，以调节丝材进给速率。
• 比例-积分（PI）控制器调整挤出机电机转速，以跟踪恒定的力参考值，从而保持一致的材料沉积。
• 通过广泛打印条件下的实验验证了挤出力与沉积线宽之间的线性相关性。
• 在不同层高（20–200%标称值）和材料流量下测试系统，以评估抗干扰能力。
• 在相同硬件和打印参数下，将该方法与传统的基于切片的前馈控制进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 实时挤出力测量是否能够实现FFF中材料沉积的鲁棒闭环控制？
• RQ2 在多种打印条件下，挤出力与沉积线宽之间是否存在可靠的线性关系？
• RQ3 力控打印在无需重新调参的情况下，能在多大程度上抑制如床面调平误差等干扰？
• RQ4 在几何精度和表面质量方面，FCP与传统前馈挤出控制相比表现如何？
• RQ5 力传感器数据是否可用于FFF中的现场过程监控与零件认证？

主要发现

• 观察到挤出力与沉积线宽之间存在强线性相关性，使线宽控制精度达到喷嘴直径的33%至233%。
• 即使层高在标称值的20%至200%之间变化，力控打印仍能保持一致的线宽和表面质量，而这一条件会严重降低前馈打印的质量。
• 在床面调平误差和丝材打滑等干扰条件下，该方法在几何精度和表面质量方面均优于传统前馈挤出控制。
• FCP无需过程建模或调参，对硬件和参数变化具有鲁棒性。
• 系统能自动适应打印条件的变化，包括意外干扰，而无需重新配置。
• 力传感器数据支持现场监控，并为未来FFF中的零件认证与异常检测奠定了基础。