Development of an iterative learning controller for polymer based micro-stereolithography prototyping systems

Abstract

Eklemeli üretim sistemleri, mikro boyutlu yapıların üretilmesi için hızlı ve hassas çözümler sunmaktadır. Değişik malzemelerin üretilebilmesi için farklı metotlar kullanılmaktadır. Stereo-litografi, ışığa duyarlı polimer temelli malzemelerin hızlı modellenmesi için önemli bir yöntemdir. Diğer eklemeli üretim teknikleri gibi, DLP yansıtım ile mikro-stereo-litografi yöntemi de ölçüler, minimum detay boyutu ve malzeme özellikleri gibi alanlarda üretim limitlerine sahiptir. Gelişmiş ve hassas mikro boyutlu parçaların üretimi için, işlemin karmaşık bir kontrol algoritması ile tanımlanarak yönetilmesi ihtiyacı ortaya çıkmıştır.Üretim kalitesinin arttırılması amacıyla bir işlem planı hazırlanması, reçine katılaştırma işleminin arkasındaki karmaşık kimyasal ve fiziksel süreçlerin iyi araştırılmasıyla mümkün olacaktır. Bu sebeple, piksel temelli polimerizasyon işleminin matematik modeli oluşturulmuştur. Katılaşma modeli içerisinde bulunan parametrelerden yola çıkılarak; reçine, optik sistem ve pozisyonlama sistemleri üzerinde farklı ölçümler ve gözlemler gerçekleştirilmiştir.Modelin kullanımı ile yapılan benzetimlerde, ışığın sıvı reçine içerisindeki güçsüzleşmesinden kaynaklanan ve önceden yapılan üretim denemelerinde de gözlemlenmiş olan aşırı katılaşma ve yetersiz katılaşma problemleri ile karşılaşılmıştır. Yapısal bozulmalara sebep olan bu hataların, üretim yüzeyine uygulanan ışık miktarını belirleyen maruz kalma parametresine bağlı olduğu belirlenmiştir.Üretim kalitesini düşüren bu hatanın bertaraf edilmesi amacıyla yinelemeli öğrenme temelli parametre kontrol algoritması geliştirilmiştir. Kullanılan üretim sisteminin ana özelliklerinden olan adım adım hareket yerine üretim platformunun sürekli hareketinin sağlanması, çözüm oluşturulmasında ana kaynak olarak kullanılmıştır. Optimize edilmiş bir kazanım değerinin parametre kontrolü amacıyla kullanılması ile, yanlış katılaştırılan piksellerin oranı simülasyonlarda %80'e, gerçek üretim denemelerinde ise %75'e varan oranlarda azaltılmıştı. Bu gelişme oranları ve bahsedilen algoritma, gelecekte eş zamanlı ışık gösterimi ölçümünün ve eş zamanlı stereo-litografi işlemi kontrolünün oluşturulması için yeni bir perspektif oluşturacaktır.

Additive manufacturing systems provide fast and accurate fabrication opportunities for micro-scaled structures. Various methods of processing are used for fabrication of different materials. Stereolithography is an important technique for rapid prototyping of photo-reactive polymer based materials. Similar to the other additive manufacturing methods, DLP based projection micro-stereolithography also includes limitations in terms of dimensions, minimum feature sizes and material properties. For advanced and precise micro-sized structure fabrications, process needs to be defined with a complex control scheme.In order to develop a scheme for increasing the fabrication quality, nature of the complex chemical and physical phenomena behind the resin solidification process is investigated. A complete mathematical model for the pixel based photo-polymerization process is developed. According to the parameters included in the solidification model, measurements and observations are made for understanding of the resin, optical system and positioning system.Problems of over-curing and under-curing caused by the attenuation nature of the light inside the liquid resin are observed in the simulations made based on the model which is also supported by the previous fabrication experiences for varying structures. These problems creating structural irregularities are dependent on the process parameter of exposure applied on the fabrication surface.An iterative learning based parameter control algorithm is developed for overcoming these errors decreasing the fabrication quality. Continuous fabrication platform movement instead of step-by-step movement which is one of the main features of the established system is used to define a solution. Main fabrication parameter of platform speed is adjusted for each layer according to the error amount calculated on iterations. Use of an optimized gain for parameter control, decreased the dimensional error calculated by the count of the wrongly cured pixels up to 80/% in the simulations and 75/% in the real life fabrication trials with the application of algorithm. These improvement ratios and proposed algorithm provide a new perspective for the possible future work about online exposure measurement and in-situ parameter control of the stereolithography process.