[论文解读] Process Monitoring of Extrusion Based 3D Printing via Laser Scanning

Matthias G.R. Faes, Frederik Vogeler+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2014

Additive Manufacturing and 3D Printing Technologies参考文献 5被引用 32

一句话总结

本文提出了一种基于2D激光三角测量扫描仪的实时挤出式3D打印过程监控系统，用于在打印过程中检测几何偏差。该系统以约10 µm的精度测量挤出轨迹的宽度和高度，支持在线反馈以纠正层厚误差，助力实现零缺陷制造策略。

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.

研究动机与目标

• 开发一种用于挤出式3D打印的实时监控系统，以在逐层沉积过程中检测几何偏差。
• 将紧凑的2D激光三角测量传感器集成至FDM 3D打印机中，实现实时测量轨迹几何形状。
• 通过测量偏差动态调整层厚或重新切片CAD模型，实现闭环反馈控制。
• 通过在构建过程中早期检测并纠正错误，支持零缺陷增材制造愿景。
• 验证基于激光的几何传感在FDM打印中实现在线过程控制的可行性。

提出的方法

• 将模块化的2D激光三角测量扫描仪集成至挤出式3D打印机中，以捕获已沉积热塑性轨迹的实时3D轮廓数据。
• 从图像中提取激光线轮廓，并拟合为椭圆，以亚微米精度确定轨迹宽度和高度。
• 分析不同热塑性材料（PLA、ABS）下的测量误差，以评估材料相关的光扩散效应。
• 在多种材料上测试系统，误差分析显示平均偏差为8.55 µm，其中半透明白色ABS最高达13.86 µm。
• 提出反馈策略，包括通过进给速率或运动速度控制动态调整层厚，以及实时重新切片CAD模型。
• 该方法支持质量控制中的补偿（反馈模式）与预测（前向模式）两种方式。

实验结果

研究问题

• RQ1 2D激光三角测量系统能否以足够精度检测挤出热塑性轨迹的几何偏差，以实现FDM中的实时过程控制？
• RQ2 材料特性（如颜色和透明度）如何因光扩散效应影响激光测量精度？
• RQ3 在逐层3D打印过程中，纠正z方向误差的最有效反馈策略是什么？
• RQ4 在线监控能否实现闭环控制系统，以减少尺寸误差并防止零件报废？
• RQ5 如何将基于激光的几何传感集成至现有FDM系统中，以支持零缺陷制造？

主要发现

• 激光三角测量系统实现了约10 µm的测量精度，所有材料的平均误差为8.55 µm。
• 灰色ABS材料表现出最理想的测量性能（平均误差6.15 µm），而半透明材料（如白色ABS）因光扩散效应导致更高误差（最高达13.86 µm）。
• 该系统成功捕获了挤出轨迹的实时3D轮廓，并实现了打印过程中的几何偏差检测。
• 最高测量误差出现在半透明材料上，表明材料光学特性显著影响传感器精度。
• 提出的反馈策略包括通过进给速率或运动速度动态调整层厚，以及实时重新切片CAD模型以纠正偏差。
• 本研究证明了将基于激光的几何传感集成至FDM系统中，以实现实时质量控制并支持零缺陷制造的可行性。