Applied Metrology in Additive Manufacturing

Greeff, Gabriel Pieter ORCID

The fabrication of products by additively building them layer by layer promises exciting possibilities, including realisation of Industry 4.0, sustainability, local manufacturing and a measurement dataset which describes every voxel of the produced part. Measurement methodologies, which can measure such a dataset and interpret the result, are therefore needed. A cost-effective additive manufacturing technique, which can help with the worldwide plastic pollution problem, is Fused Filament Fabrication. This is an open source concept and ideal for adoption by developing economies. Measurement approaches are needed, though, to develop this technology beyond a rapid prototyping and modelling tool, to a functional production solution. This thesis develops cost effective, accessible solutions to improve the material feed mechanism, which is one of the most critical process components. A detailed review of the process steps is given first, which also contributes to this still rapidly developing field. This review includes the motion tool chain, from the stepper motor actuation to the firmware implementation to realise motor control. The feedstock materials and the liquefier design are also presented. Five methods for optimisation of the process are developed and experimentally tested. This includes the optical monitoring of the feed mechanism, which can measure the volumetric flow rate, a method to measure the exit flow rate, a pressure sensor to measure the liquefier state, single print optimisation with design of experiments and a link between the in-process and post process measured data. This is taken further by presenting the Vapour Deposition Fabrication concept, which is like the Dynamic Stencil Lithography process, but realised with a configuration based on the Fused Filament Fabrication electronics and firmware. The design and construction of the first Vapour Deposition Fabrication micro-printer are presented. This thesis finds that rate material addition in additive manufacturing is an important process variable, which needs to be monitored with indirect methods. Furthermore, standardisation is important for additive manufacturing, and this includes how G-codes are interpreted by the printer firmware. Finally, many process parameters must be optimised, and the single print optimisation method shown here is an example method, which can form part of a complete printer development, qualification and conformance solution.

Die Fertigung von Produkten durch additives schichtweises Aufbauen verspricht spannende Möglichkeiten, darunter die Umsetzung von Industrie 4.0, Nachhaltigkeit, lokale Fertigung und einen Messdatensatz, der jeden Gitterpunkt des produzierten Teils beschreibt. Es werden daher Messmethoden benötigt, die einen solchen Datensatz messen und das Ergebnis interpretieren können. Eine kostengünstige additive Fertigungstechnik, die bei dem weltweiten Problem der Kunststoffverschmutzung helfen kann, ist Fused Filament Fabrication. Dies ist ein Open-Source-Konzept und ideal für die Verwendung in sich entwickelnden Volkswirtschaften. Um diese Technologie über ein Rapid-Prototyping-Tool hinaus zu einer funktionalen Produktionslösung zu entwickeln, sind jedoch neue Messansätze erforderlich. In dieser Arbeit werden kostengünstige und leicht zugängliche Lösungen zur Verbesserung des Materialzufuhrmechanismus entwickelt. Zunächst wird ein detaillierter Überblick über die Prozessschritte gegeben, was auch zu diesem sich schnell entwickelnden Bereich beiträgt. Diese Übersicht umfasst die Bewegungswerkzeuge vom Schrittmotor-Antrieb bis zur Firmware-Implementierung, um die Motorsteuerung zu realisieren. Fünf Methoden zur Optimierung des Prozesses werden entwickelt und experimentell getestet. Dazu gehören die optische Überwachung des Fördermechanismus, die den Volumenstrom messen kann, eine Methode zur Messung der Austrittsströmungsrate, ein Drucksensor zur Messung des Verflüssigerzustands, eine Druckoptimierung mittles statistische Versuchsplanung sowie eine Verknüpfung zwischen der Messdatenverarbeitung und Auswertung. Dies wird durch die Vorstellung des Konzeptes der physikalischen Gasphasenabscheidung weitergeführt, das dem dynamischen Schablonenlithographieprozess ähnlich ist, jedoch mit einer Konfiguration realisiert wird, die auf der Fused Filament Fabrication-Elektronik basiert. Das Design und die Konstruktion des ersten Vapor Deposition Fabrication-Mikrodruckers werden vorgestellt.Diese Arbeit schlussfolgert, dass der Materialdurchsatz in der additiven Fertigung eine wichtige Prozessvariable ist. Darüber hinaus ist eine Standardisierung wichtig für die additive Fertigung. Dies beinhaltet, wie G-Codes von der Drucker-Firmware interpretiert werden. Schließlich müssen viele Prozessparameter optimiert werden und die hier gezeigte Druckoptimierungsmethode ist ein Beispiel, das Teil einer vollständigen Druckerentwicklungs-, Qualifizierungs- und Konformitätslösung sein kann.

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Greeff, Gabriel: Applied Metrology in Additive Manufacturing. Berlin 2019. mensch und buch.

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