[论文解读] Robotic positioning device for three-dimensional printing

Saša Jokić, П.П. Новиков+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 13, 2014

Additive Manufacturing and 3D Printing Technologies参考文献 1被引用 18

一句话总结

本文提出了一种紧凑、便携的机器人定位装置，用于大规模熔融沉积成型（FDM）3D打印，该装置将打印头运动与固定机械结构分离。通过采用集成运动控制的自包含机器人臂，系统实现了无需受限于传统CNC铣床或固定机械臂的尺寸、成本或运输限制的大尺寸、复杂结构打印，实现了可扩展的现场增材制造。

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.

研究动机与目标

• 解决固定CNC铣床和机械臂在大规模3D打印中因工作空间受限带来的局限性。
• 克服为建筑规模3D打印建造和运输大型固定定位装置所带来的高成本和后勤挑战。
• 开发一种紧凑、便携的机器人系统，实现在无需固定龙门架或导轨系统的情况下对大型物体进行FDM 3D打印。
• 利用便携式、自包含的定位装置，实现建筑与基础设施应用中的现场可扩展增材制造。

提出的方法

• 设计一种集成运动控制的便携式机器人臂，使3D打印头的定位独立于固定框架。
• 实现一种运动学系统，使打印头能够在大工作空间内实现精确的多轴运动。
• 采用熔融沉积成型（FDM）作为核心3D打印工艺，实现热塑性材料逐层沉积。
• 集成实时控制算法，确保在移动运行过程中保持打印精度和路径保真度。
• 确保系统为自包含且可运输，适用于多种现场环境的部署。
• 在最小化机械复杂性和占地面积的同时，最大化工作空间覆盖范围和打印可扩展性。

实验结果

研究问题

• RQ1 移动式机器人定位系统是否能够实现不受固定CNC机床限制的大规模FDM 3D打印？
• RQ2 在打印精度和工作空间灵活性方面，移动式机器人臂与固定龙门架系统相比表现如何？
• RQ3 紧凑、自包含的机器人装置在多大程度上能够支持可扩展的现场建筑3D打印？
• RQ4 在大型结构上，移动式机器人定位在维持打印质量方面存在哪些实际限制？
• RQ5 如何优化机器人运动控制以实现在FDM 3D打印中对大面积区域的连续沉积？

主要发现

• 所提出的机器人定位装置实现了无需受限于固定机械尺寸的大规模FDM 3D打印，克服了传统工作空间限制。
• 通过将打印头运动与刚性框架解耦，系统实现了可扩展打印，能够在多样化的现场环境中部署。
• 移动式机器人臂在FDM工艺中保持了足够的精度，确保了打印部件的结构完整性和尺寸准确性。
• 通过消除对大型固定龙门架系统的需求，该设计降低了大规模3D打印基础设施的成本和后勤负担。
• 该系统展示了使用紧凑、可运输的机器人平台实现现场建筑规模增材制造的可行性。
• 该方法支持在扩展区域上的连续沉积，能够支持复杂、大规模建筑构件的制造。