Designing, Prototyping and Testing of the Digital Twin of a 3D Printer to Meet Industry 4.0 Requirements

Abstract

This thesis aims to explain the structure and operation of a multifunctional digital twin for a material extrusion 3D printer. Among its functionalities, the digital twin includes an advanced remote control and monitoring of the printing process, the ability to collect and sort job data, run simulations, react to errors and identify their cause, evaluate the geometric accuracy of the printed piece, monitor machine wear, and self-calibrate. The structure of the twin is modular, it has been built entirely with open-source software and does not rely on proprietary solutions so that it is easily replicable and extendable to different systems. The printer used for testing is a Cartesian material extrusion printer equipped with encoders, accelerometers, additional thermometers, and a machine vision system. The data collected by the sensors during printing is sent to a data interface that sorts it into the twin core, and a remote storage system. The digital twin core houses the simulation of the printer's physics and control logic and performs simulation, monitoring, and diagnostic functions. This module is also capable of generating a detailed representation of the printed model in real-time from data collected during processing. This representation can be used to evaluate the geometric conformity of the obtained piece compared to an ideal printing model, all carried out through an automatic procedure. An additional part of the digital twin is a GUI, that is intended to allow the user to remotely interact with the system, view collected data, and perform post-processing operations. Both the core and the GUI are able to communicate with the printer through a print host software, so that the system can secure the printer automatically, if an error occurs, and guide the user in a procedure to recover the interrupted job; moreover, the digital twin can perform an auto-calibration procedure, where error situations are created in a controlled way with the aim of identifying the working limits. The functionalities of the digital twin are verified with a series of tests carried out at different printing speeds, both in simulation and in real prints. The simulations are able to predict the impact of the settings used on the duration of the print, on the axes load, on the wear of the components, and on the dimensions of the piece; on the other hand, from the real prints it is possible to obtain the actual data, the evaluation of the geometric conformity of the pieces, and the virtual model of the printed parts. Through the analysis of the latter, it is possible to investigate the influence of the chosen settings and of the printer structure on the geometric characteristics of the parts.

Questa tesi mira a spiegare la struttura e il funzionamento di un gemello digitale multifunzionale per una stampante 3D a estrusione di materiale. Tra le sue funzionalità, il gemello digitale include un controllo remoto avanzato, il monitoraggio del processo di stampa, la capacità di raccogliere e ordinare i dati del lavoro, eseguire simulazioni, reagire agli errori e identificare la loro causa, valutare la precisione geometrica del pezzo stampato, monitorare l'usura della macchina e auto-calibrarsi. La struttura del gemello è modulare, è stato costruito interamente con software open-source e non si basa su soluzioni proprietarie in modo che sia facilmente replicabile ed estendibile a diversi sistemi. La stampante utilizzata per i test è di tipo cartesiano a estrusione di materiale, è dotata di encoder, accelerometri, termometri aggiuntivi e un sistema di visione artificiale. I dati raccolti dai sensori durante la stampa vengono inviati a un'interfaccia dati che li smista nel Digital Twin Core, e a un sistema di archiviazione remota. Il nucleo gemello digitale ospita la simulazione della fisica e della logica di controllo della stampante ed esegue funzioni di simulazione, monitoraggio e diagnostica. Questo modulo è anche in grado di generare una rappresentazione dettagliata del modello stampato in tempo reale a partire dai dati raccolti durante l'elaborazione. Questa rappresentazione può essere utilizzata per valutare la conformità geometrica del pezzo ottenuto rispetto a un modello di stampa ideale, il tutto realizzato attraverso una procedura automatica. Un'ulteriore parte del gemello digitale è una GUI, che ha lo scopo di permettere all'utente di interagire a distanza con il sistema, visualizzare i dati raccolti ed eseguire operazioni di post-processing. Sia il Digital Twin Core che la GUI sono in grado di comunicare con la stampante attraverso un print host software, in modo che il sistema possa mettere in sicurezza automaticamente la macchina, se si verifica un errore, e guidare l'utente in una procedura guidata per il recupero del lavoro interrotto; inoltre, il gemello digitale può eseguire una procedura di auto-calibrazione, in cui vengono create situazioni di errore in modo controllato con lo scopo di identificare i limiti di lavoro. Le funzionalità del gemello digitale sono verificate con una serie di test effettuati a diverse velocità di stampa, sia in simulazione che in stampe reali. Le simulazioni sono in grado di prevedere l'impatto delle impostazioni utilizzate sulla durata della stampa, sul carico degli assi, sull'usura dei componenti e sulle dimensioni del pezzo; dalle stampe reali è invece possibile ottenere i dati reali, la valutazione della conformità geometrica dei pezzi e il modello virtuale delle parti stampate. Attraverso l'analisi di quest'ultimo, è possibile indagare l'influenza delle impostazioni scelte e della struttura della stampante sulle caratteristiche geometriche dei pezzi.