Desenvolvimento de scanner 3D baseado em feixe laser e movimento cartesiano

Abstract

Impressoras 3D operam, essencialmente, em um sistema de malha aberta: não monitoram a peça que estão produzindo, simplesmente realizando movimentos de acordo com um programa pré-definido. Dessa forma, o sistema depende de supervisão humana para parar o processo quando ocorrem falhas na impressão. Quando não há essa intervenção, a movimentação e deposição de material continua mesmo em situação de falha, levando à produção de uma peça inadequada e ao desperdício de material, tempo e energia. Para evitar esse problema, trabalhos recentes propõem medir e monitorar automaticamente a geometria da peça durante a impressão, detectando erros e, caso necessário, interrompendo o processo. Porém, o aparelho utilizado para medições é normalmente complexo ou custoso. Este trabalho busca contribuir para essa solução através do desenvolvimento de um sistema óptico de medição tridimensional embarcado no carro móvel de uma impressora. Para tanto, utiliza-se um sensor óptico (câmera) e um feixe laser, empregando o movimento cartesiano da impressora para a geração de uma nuvem de pontos tridimensional. Foram desenvolvidos os procedimentos de triangulação, de calibração dos parâmetros envolvidos, de detecção do centro do feixe laser na imagem, e de integração com o sistema de movimentação da impressora 3D. O correto funcionamento e a precisão do sistema foram validados a partir da digitalização de duas peças de geometria simples: uma peça prismática e uma peça em formato de calota de esfera. A validação mostrou resultados satisfatórios, obtendo medições com precisão de 0,08 mm com intervalo de confiança de 95%, e desvio médio de 0,2 mm com relação a um equipamento de referência. Apesar dos bons resultados obtidos, foram identificados alguns problemas relacionados à espessura do feixe laser, resultando em erros de medição na digitalização de objetos com bordas acentuadas. O sistema desenvolvido pode, no futuro, servir como uma ferramenta específica para o monitoramento contínuo de impressões 3D.

3D printers operate, essentially, as an open-loop system. They don’t monitor the geometry of the workpiece while printing, simply moving according to a pre-defined program. This means print failures can go undetected by the system, and if a human does not interfere there is a waste of material and energy - as the printing continues even in a state of failure. The goal of this thesis is to make progress towards continuous monitoring of 3D prints, by developing an optical three-dimensional measuring system integrated with a 3D Printer. A laser slit scanning strategy is chosen, for its good accuracy with respect to relatively low cost components. Calibration procedures are developed so the system can be used with other configurations, with the only assumption being that the camera and laser move together in space, are rigidly coupled to the printing head, and that the camera optical axis is oblique to the laser slit plane. The system is integrated to a Ender 3 V2 3D printer by Creality. A centroid strategy is used for detecton of the laser slit in the images, together with adjustment of the camera’s sensor parameters. Measurements made with the final system showed adequate repeatability of 0,08 mm (95% confidence interval), and measurement error less than 1mm with respect to a reference equipment.