物質押出し造形のための力制御印刷技術

Kernekoncepter

物質押出し造形における力制御印刷の枠組みを導入し、高品質な部品を効率的に製造する方法を提案。

Resumé

• 物質押出し造形は一般的にフィードフォワード方式で制御されているが、外部および予期せぬ干渉に適応できない。
• 力制御印刷はリアルタイムで押出し力を測定し、材料流量を連続的に制御することで高品質な部品を製造。
• 押出し力と線幅の強い相関性があり、望ましい幅の線を堆積可能。
• 力制御印刷は伝統的なフィードフォワード押出法よりも優れた印刷品質と安定性を実証。

1. Introduction

• 物質押出し造形（FFF）は3Dプリント技術の中でも広く普及しており、アクセス性と多様性が魅力。
• FFFではフィラメント駆動ホイールが加熱ノズルに素材を供給して溶融プラスチックビーズとして排出。

2. Material and methods

• フィラメント駆動ホイールからのフィラメント供給時に発生するFeと対向するFs等の力平衡式が成立。
• カスタムトルクセンサーを使用したリアルタイム計測装置で押出プロセス特性評価。

3. Calculation

• PIDコントローラーを使用したFCPチューニングおよび検証。
• 実験データからRMSE算出して最適コントローラー決定。

4. Experiments and Results

4.1 Line width to force correlation

• 押出反応力と線幅間の強い相関関係確認。望ましい幅範囲内で線堆積可能。

4.2 Variable layer height

• 層高変化下でもFCPは一貫した線幅保持。極端な条件下でも高品質部品製造可能。

4.3 Part Print

• FCPは非常に大きなレベリング障害下でも高精度部品製造可能。伝統的手法よりも優れた表面特性と幾何学精度達成。

Statistik

押出反応力は線幅と強く相関：「反応力測定中に堆積されたプラスチックビーズの幅」という強い相関性が存在します。

Citater

Vigtigste indsigter udtrukket fra

Force Controlled Printing for Material Extrusion Additive Manufacturing

by Xavier Guide... kl. arxiv.org 03-26-2024

https://arxiv.org/pdf/2403.16042.pdf

Dybere Forespørgsler

この新技術は他の産業や分野へどのような影響を与える可能性があるか？

このForce Controlled Printing（FCP）技術は、材料押出積層造形に革新的なアプローチを提供しています。この技術が他の産業や分野に与える潜在的な影響は多岐にわたります。まず第一に、製造業全般での生産効率向上と品質管理の改善が期待されます。FCPによって実現されるリアルタイム制御とフィードバックシステムは、部品製造時の精度向上や不良品削減に貢献することが考えられます。
さらに、医療分野ではカスタマイズされた医療機器や人工臓器の製造が可能となり、個々人への適合性を高めることが期待されます。建築業界でも、複雑なデザインや構造物を迅速かつ正確に製作する際に活用できる可能性があります。また、教育分野では3Dプリンティング技術を学ぶ学生や研究者向けの教材開発も促進されるかもしれません。
さらに自動車産業では車両パーツの設計から試作まで効率化し、航空宇宙産業では複雑な部品およびエンジニアリングサポート構成要素（ESCE）等を容易かつ迅速に生成するため利用できる可能性もあります。

この技術開発から得られる知見や手法は、他分野や未来のテクノロジー開発にどう活用できますか

この記事では、「伝統的」フィードフォワード方式と比較して、「強制制御印刷」という新しい枠組みを提案しています。
「伝統的」フィードフォワード方式は事前計算されたコマンドだけで操作されており，外部変動等対応不能です．
しかし，「強制制御印刷」手法は反応力量子センサー情報から連続した閉ループコントロール方法です．
これは予想外変動等対処能力及び印刷クオリティ向上します．