In-line error detection for 3D printing

Abstract

In der heutigen Industrie gibt es klare Tendenzen in Richtung individualisierter Fertigung von Produkten. Dies bedingt flexible und adaptierbare Fertigungsprozesse. Additive Fertigung ist eine Schlüsseltechnologie hierbei. Sie bietet Vorteile wie eine kürzere Markteinfürungszeit neuer Produkte, eine ressourcenschonende Arbeitsweise, einen nahtlosen Übergang vom CAD Design zum fertigen Produkt und stellt keine Anforderungen an gewisse Stückzahlen. Die erzielbaren Genauigkeiten der Technologie erreichen jedoch noch nicht den Standard anderer herkömmlicher, subtraktiver Methoden und aus dem Fertigungsprinzip ergeben sich neuartige Fehlerarten. Aus diesem Grund beschäftigt sich diese Arbeit mit der Entwicklung eines Inline Messsystems, welches ermöglicht Produktionsfehler zu erkennen und damit die Grundlage dafür bildet, diese in weiterer Folge zu korrigieren. Zur Erfassung von Oberflächenprofilen während des Fertigungsprozesses wird ein scannendes Lasertriangulationssystem entwickelt und in einen kommerziellen 3D Drucker integriert. Ein Kippspiegel dient zur Manipulation des optischen Pfades und damit zur Erzeugung von Scanmustern auf der Messoberfläche. Über ein mathematisches Modell der Systemgeometrie wird von den Messdaten auf die Oberflächenbeschaffenheit des Messstücks geschlossen. Der Reglerentwurf für den Kippspiegel basiert auf einem Modell welches aus der Frequenzanalyse der Gesamtstrecke folgt. Zur Anwendung kommt ein Frequenzkennlinienverfahren, bei dem besonderer Wert auf gutes Führungsverhalten gelegt wird. Den Abschlussteil der Arbeit bildet die Evaluierung des Messsystems, anhand experimenteller Messungen von Fehlern wie sie typischerweise im 3D-Druck, im speziellen FDM, auftreten. Das entwickelte System erlaubt es eine Vielzahl an häufigen Fehlerfällen zu detektieren und ermöglicht eine schichtweise Visualisierung des gesamten Produktes. Alle Messdaten über eine gefertigte Schicht stehen bereits vor Beginn der folgenden Schicht zur Verfügung. Viele der gemessenen Fehlerfälle weisen auf schlecht gewählte Prozessparameter hin. Durch rechtzeitiges Anpassen dieser Parameter kann das Entstehen der Fehler somit vermieden werden. Auch besonders kritische Fehler sind detektierbar und erlauben somit einen autonomen Abbruch des Druckprozesses.

In the manufacturing industry a trend towards mass customisation is observable, such that flexible and adaptable production processes are required. Additive Manufacturing (AM) is a key technology for this development since it offers advantages like a reduced time to market of new designs, material efficiency, direct manufacturing of finished parts from CAD models and no requirements to a certain batch size. However, this technology still suffers from reduced accuracy and new process-related defects compared to traditional subtractive manufacturing methods. Therefore, this work deals with the development of an inline error detection system, which enables the recognition of occurring defects and consequently provides the base for compensating them. For acquiring the surface profiles during part fabrication, a scanning laser triangulation system is developed and integrated into a commercial 3D-printer. Using a Fast Steering Mirror (FSM), the optical path of the point sensor is manipulated to perform scan patterns. The mathematical model of the system geometry allows the reconstruction of the measured surface profile from the deflection angles of the FSM and the measured distance. The controller design for the FSM is based on a model derived from an identification of the total plant, including the current controllers and the integrated sensor system. The developed feedback controller provides a high tracking performance, which ensures achieving the targeted scan resolutions. The final part of the thesis deals with the experimental evaluation of typical defects in Fused Deposition Modeling (FDM). The information on a scanned layer is available before the next layer is initiated which demonstrates the inline capability of the system. A variety of common defects is examined and detectable by the measurement system. Non-optimal process parameters, which cause a certain defect can consequently be adapted. Furthermore, critical errors, which lead to an unusable part are detectable. The printing device is therefore provided with the data to cancel failed prints without the need of human supervision.