Laser-Based Volume Measurement System for Optimizing the 3D Printing Process

eng Artykuł w języku angielskim DOI: 10.14313/PAR_261/5

wyślij Krzysztof Zbroja *, Mariusz Giergiel *, Marcin Ostrowski ** * AGH University of Krakow, Poland ** Centrum Badań i Rozwoju Technologii dla Przemysłu SA

Pobierz Artykuł

Abstract

This article presents the development of a volume measurement system for calibrating material flow in the print head of a 3D printer operating with FDM technology, with usage of pellet material. To ensure high printing precision, it was necessary to design a measurement system capable of calibrating material flow by determining the volume of the deposited material path. A laser triangulation method – an optical, non-contact distance measurement technique – was employed for this purpose. In this approach, diffused laser light, focused through a lens, is projected onto a CCD or CMOS sensor. The position of the laser beam on the sensor allows for the precise calculation of the distance to the object. Given the high cost of commercial laser profilometers and the closed architecture of low-cost systems offered by existing 3D printer manufacturers, a custom measurement solution was developed. The system architecture is based on low-cost an widely accessible materials. A dedicated image processing algorithm was developed to analyze the deformation of the laser line and convert the profile data into volumetric measurements. The system interfaces with the printer’s control unit. Experimental validation was conducted using a reference object – a machined plate with a insertion of known dimensions. The results confirmed high measurement accuracy, with errors in the range of tenths of a cubic millimeter, which is considered sufficient for the intended application.

Keywords

3D printing, extrusion, FDM, laser measurements, laser triangulation, pellet, profile sensor

Laserowy system pomiaru objętości dla optymalizacji procesu druku 3D

Streszczenie

W artykule przedstawiono system pomiaru objętości do kalibracji przepływu materiału w głowicy drukarki 3D pracującej w technologii FDM z wykorzystaniem granulatu. Aby zapewnić wysoką precyzję druku, konieczne było zaprojektowanie systemu pomiarowego zdolnego do kalibracji przepływu materiału przez określenie objętości ścieżki osadzonego materiału. W tym celu zastosowano metodę triangulacji laserowej – optyczną, bezkontaktową technikę pomiaru odległości. Rozproszone światło lasera, skupione za pomocą soczewki, jest rzutowane na matrycę CCD lub CMOS. Położenie wiązki laserowej na matrycy pozwala na precyzyjne obliczenie odległości do obiektu. Biorąc pod uwagę wysoki koszt komercyjnych profilometrów laserowych i zamkniętą architekturę tanich systemów oferowanych przez producentów drukarek 3D, opracowano niestandardowe rozwiązanie pomiarowe. Architektura systemu oparta jest na tanich i powszechnie dostępnych materiałach. Opracowano dedykowany algorytm przetwarzania obrazu służący do analizy odkształceń linii laserowej i konwersji danych profilowych na pomiary objętościowe. System współpracuje z jednostką sterującą drukarki. Walidację eksperymentalną przeprowadzono z użyciem obiektu odniesienia – obrobionej płyty z elementem o znanych wymiarach. Wyniki potwierdziły wysoką dokładność pomiaru, z błędami rzędu kilku dziesiątych części milimetra sześciennego, co jest wartością wystarczającą dla zamierzonego zastosowania.

Słowa kluczowe

czujnik profilu, druk 3D, ekstruzja, FDM, granulat, pomiar laserowy, triangulacja laserowa

Bibliografia

  1. Donges A., Noll R., Laser Triangulation, [In:] „Laser Measurement Technology”, Springer Series in Optical Sciences, Vol. 188, 2015, DOI: 10.1007/978-3-662-43634-9_10.
  2. Wyrobek K., Stryczek R., Laserowy pomiar geometrii ścieżki druku 3D, „Pomiary Automatyka Robotyka”, R. 29, Nr 4, 2025, 49–56, DOI: 10.14313/PAR_258/49.
  3. Straub J., Initial Work on the Characterization of Additive Manufacturing (3D Printing) Using Software Image Anal ysis, “Machines”, Vol. 3, No. 2, 2015, 55–71. DOI: 10.3390/machines3020055.
  4. Nuchitprasitchai S., Roggemann M., Pearce J., Factors effecting real-time optical monitoring of fused filament 3D printing, “Progress in Additive Manufacturing”, Vol. 2, 2017, 133–149, DOI: 10.1007/s40964-017-0027-x.
  5. Kopsacheilis C., Charalampous P., Kostavelis I., Tzo varas D., In Situ Visual Quality Control in 3D Printing, [In:] Proceedings of the 15th International Joint Conference on Computer Vision, Imaging and Computer Graphics Theory and Applications (VISIGRAPP 2020), Vol. 3, 2020, 317–324, DOI: 10.5220/0009329803170324.
  6. Montalti A., Ferretti P., Santi G.M., A Cost-Effective Approach for Quality Control in Material Extrusion 3d Printing Via 3d Scanning, 2024, DOI: 10.2139/ssrn.4825393.
  7. Fahmy A., Becker T., Jekle M., 3D printing and additive manufacturing of cereal-based materials: Quality analysis of starch-based systems using a camera-based morphologi cal approach, “Innovative Food Science & Emerging Tech nologies”, Vol. 63, 2020, DOI: 10.1016/j.ifset.2020.102384.
  8. Ugandhar D., Chang Shing., Automated Process Monito ring in 3D Printing Using Supervised Machine Learning, “Procedia Manufacturing”, Vol. 26, 2018, 865–870, DOI: 10.1016/j.promfg.2018.07.111.
  9. Faes M., Vogeler F., Coppens K., Valkenaers H., Abbe loos W., Goedemé T., Ferraris E., Process Monitoring of Extrusion Based 3D Printing via Laser Scanning, Interna tional Conference on Polymers and Moulds Innovations – PMI2014, 2014, DOI: 10.13140/2.1.5175.0081.