Developing a Custom Printhead Controller to Print Large-Scale Parts Using Industrial Motion Systems

Le dépôt de fil fondu (FFF, de fused filament fabrication) pourrait devenir une puissante méthode de fabrication, mais cette technologie de fabrication additive (FA) doit d'abord surpasser certaines limites, dont sa mise à l'échelle et la qualité des pièces produites. Dans ce projet, nous avons adressé ce problème de taille en développant un contrôleur de tête d'impression personnalisé permettant de produire de grandes pièces par FFF sur des robots industriels.L'objectif principal du projet était de créer un contrôleur universel pouvant être connecté à différents robots munis de têtes d'impression à haut débit. Le contrôleur a été conçu pour communiquer avec deux robots industriels spécifiques : un grand système à portique d'Aerotech et un bras robotique à six axes Fanuc M-20iB/25. Les deux systèmes sont installés dans le Laboratoire de mécanique multi-échelle (LM2) de Polytechnique Montréal. Une carte mère Duet 3 6HC est au cœur du contrôleur de tête d'impression, qui peut contrôler plusieurs outils à la fois et est compatible avec un large éventail de composants que l'on trouve couramment dans les têtes d'impression FFF. Nous avons choisi les autres composants internes du contrôleur selon les exigences de deux têtes d'impression à haut débit : les extrudeuses Typhoon et Pulsar de Dyze Design. Pour utiliser le contrôleur de tête d'impression avec les robots industriels du LM2, nous avons développé une méthodologie d'impression adaptée. Pour ce faire, nous avons utilisé une méthode de contrôle d'extrusion personnalisée, implémenté des protocoles de communication, modifié le firmware de la carte mère Duet et développé des post-processeurs dans RoboDK, un logiciel de programmation hors-ligne pour robots industriels. Nous avons ensuite imprimé diverses pièces à l'aide de plusieurs têtes d'impression, dont l'extrudeuse Typhoon et la version bêta de l'extrudeuse Pulsar, afin de démontrer la polyvalence du contrôleur. Avec l'extrudeuse Typhoon et le robot Fanuc, nous avons produit deux grandes pièces: un vase en spirale mesurant 400 mm de hauteur et pesant 640 g (imprimé à 250 % de sa taille originale), et un modèle #3DBenchy de 240 mm de long et 636 g (à 400 % d'échelle). Les temps d'impression des deux pièces étaient d'environ 3h et 3h20m, respectivement. Pour le vase, nous avons estimé qu'il faudrait jusqu'à 18h42 pour produire la même pièce en utilisant une tête d'impression conventionnelle couramment utilisée dans les imprimantes FFF. Malheureusement, la méthode de contrôle d'extrusion que nous avons mise en place a abouti à une qualité d'impression moyenne dont les effets étaient particulièrement observables sur le #3DBenchy.

Abstract

Fused filament fabrication (FFF) could become a powerful manufacturing method if the technology can scale up and produce higher quality parts. In this project, we addressed FFF's scale limitation by developing a custom printhead controller to produce large parts on industrial motion systems. The project's main objective was to create a universal controller that could easily be connected to different motion systems to print with high-flowrate, extrusion-based toolheads. We designed the controller to communicate with two specific motion systems: a large, gantry-based system from Aerotech and a Fanuc M-20iB/25 six-axis robotic arm. Both systems are installed in the Laboratory for Multiscale Mechanics (LM2) at Polytechnique Montreal. A Duet 3 Mainboard 6HC drives the printhead controller, which can control multiple toolheads at a time and is compatible with a wide range of components commonly found in FFF printheads. We selected the controller's other internal components based on the requirements of two high-flowrate printheads: the Typhoon and Pulsar extruders from Dyze Design. To use the printhead controller on the LM2 motion systems we developed a custom printing methodology. This required using an in-house extrusion control method, implementing communication protocols, modifying the Duet mainboard's firmware, and developing post-processors in RoboDK, an offline programming software for industrial robots. We then printed various parts using the Typhoon extruder, the beta version of the Pulsar extruder, and several other printheads to demonstrate the controller's versatility. Using the Typhoon extruder on the Fanuc six-axis robot, we produced two large-scale parts: a 400mm tall, 640g spiral vase (printed at 250% its original size), and a 240mm long, 636g #3DBenchy benchmark part (400% scale). Print times were approximately 3h and 3h20m respectively. For the vase, we estimated it would take up to 18h42m to produce the same part using standard toolheads typically used on FFF printers. Unfortunately, the extrusion control method we implemented meant print quality on the #3DBenchy in particular was substandard. This thesis includes a few recommendations as to how to improve on this in the future. Once these issues have been resolved, the printhead controller's flexibility and modularity should help it become a useful research tool. Researchers will be able to use it to explore new ideas related to large-scale additive manufacturing (AM), as well as other important topics such as multi-axis FFF and high-performance composite AM.