Ποιοτική διερεύνηση (βελτιστοποίηση - μοντελοποίηση) παραμέτρων της τρισδιάστατης εκτύπωσης πολυμερών υλικών για την παραγωγή λεπτότοιχων φυσικών πρωτοτύπων με εφαρμογή στο σχεδιασμό και την κατασκευή διακοσμητικών αντικειμένων εσωτερικού χώρου

Abstract

The fused filament fabrication (FFF) prototyping process is a quite promising technique because the parts of small as well as large complexity can be manufactured at low cost. The raw materials in this method are usually thermoplastics where objects were made layer by layer. The raw material is in a solid state, in the form of thread, whereby the use of extrusion mechanisms and in combination with high-temperature values it has been melted so the desired deposit is being created in places of the movement which is determined by the printing head. The head machine movements defined by coordinates of X, Y and Z axes come from a code generated when the digital model designed in Computer Aided Design (CAD) software is fed into the software that the additive manufacturing machine works with. The user of the machine has the ability to set a variety of parameters that affect the additive process. Some of the most important parameters of 3D printing process are speed, temperature, the thickness of each layer of the object and its internal filling. The parameter values can be different when different types of thermoplastics are used as well as different types of machines using the FFF method. The quality of objects produced during additive manufacturing highly depends on the values of parameters set by the user. The dimensional accuracy of the models and the surface roughness are two very important indicators that have a great impact on quality. Choosing high layer thickness values for the produced object leads to large deviations from its nominal dimensions and creates significantly increased surface roughness. The high 3D printing speeds can also lead to undesired effects in the case of inadequate deposition of each layer. In this thesis, the parameters of the additive process were qualitatively examined by the fused filament fabrication (FFF) into polymers and composite materials that are used for the production of real objects. These objects have thin walls (due to the experiments that have been realized) and can be applied in the area of interior decoration. The great advantage is that the optimal values of the mentioned parameters can be used also for the manufacturing of any form of object with quality characteristics and at a lower cost. Firstly, the parameters that affect 3D printing by the method of material extrusion have been analyzed through the literature. Later, in the first experimental set-up, the effect of nozzle temperature and wall thickness on the dimensional accuracy and roughness of PLA printed samples were examined. After reading the literature it was noticed that there was a research gap in examining the quality of 3D printed models made of composite material containing wood dust and biodegradable polymer PLA (Wood/PLA). In the second experiment, the effect of layer thickness and nozzle temperature on the quality of thin-walled samples made of this composite material (Wood/PLA) were investigated and in the third experiment, their strength (tensile, modulus of elasticity) was examined under the impact of different values of four variables (thickness layer, nozzle temperature, raster deposition angle and print speed). In all these experiments, the statistical analysis of results and finding their optimal values have been performed. In a separate chapter, the evaluation experiments were presented as well as the models of result value validation that have been found.

Η διαδικασία παραγωγής πρωτοτύπων με τη μέθοδο εξώθησης συντηγμένου νήματος (FFF) αποτελεί μια πολλά υποσχόμενη τεχνική διότι κατασκευάζονται εξαρτήματα μικρής αλλά και μεγάλης πολυπλοκότητας με ιδιαίτερα χαμηλό κόστος. Στη μέθοδο αυτή χρησιμοποιούνται συνήθως θερμοπλαστικά ως πρώτες ύλες και παράγονται αντικείμενα όπου κατασκευάζονται στρώση στρώση. Η πρώτη ύλη βρίσκεται σε στερεή κατάσταση, σε μορφή νήματος, όπου με τη χρήση μηχανισμών εξώθησης και σε συνδυασμό με τις υψηλές θερμοκρασίες λιώνει και δημιουργείται η επιθυμητή εναπόθεση σε σημεία όπου καθορίζει η κίνηση της κεφαλής. Οι συντεταγμένες σε X, Y και Ζ άξονες όπου κινείται η κεφαλή του μηχανήματος προέρχονται από κώδικα που δημιουργείται όταν εισαχθεί το ψηφιακό μοντέλο, που έχει σχεδιαστεί σε λογισμικό CAD (Computer Aided Design), στο λογισμικό που συνεργάζεται το μηχάνημα προσθετικής κατασκευής. Ο χρήστης του μηχανήματος έχει τη δυνατότητα να ρυθμίζει μέσω προγράμματος μεγάλη ποικιλία παραμέτρων που επηρεάζουν την προσθετική διαδικασία. Από τις πιο σημαντικές παραμέτρους που συναντάμε κατά την τρισδιάστατη εκτύπωση είναι η ταχύτητα, η θερμοκρασία, το πάχος της κάθε στρώσης του αντικειμένου και το εσωτερικό του γέμισμα. Οι τιμές των παραμέτρων μπορεί να είναι διαφορετικές όταν πρόκειται να χρησιμοποιηθούν διαφορετικοί τύποι θερμοπλαστικών αλλά και διαφορετικά τύπου μηχανήματα με τη μέθοδο της εξώθησης συντηγμένου νήματος. Η ποιότητα των αντικειμένων που παράγονται κατά την προσθετική κατασκευή εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τις τιμές των παραμέτρων που θα ορίσει ο χρήστης. Η διαστατική ακρίβεια των μοντέλων αλλά και η τραχύτητα της επιφάνειάς τους αποτελεί δυο πολύ σημαντικούς δείκτες που μπορούν να χαρακτηρίσουν την ποιότητα. Η επιλογή υψηλών τιμών πάχους στρώσης για το αντικείμενο που παράγεται οδηγεί σε μεγάλες αποκλίσεις από τις ονομαστικές του διαστάσεις και δημιουργεί ιδιαίτερα τραχείες επιφάνειες. Υψηλές ταχύτητες κατά την τρισδιάστατη εκτύπωση οδηγούν επίσης σε ανεπιθύμητα αποτελέσματα καθώς δεν επιτυγχάνεται σωστά η εναπόθεση της κάθε στρώσης. Στην παρούσα διατριβή γίνεται ποιοτική διερεύνηση των παραμέτρων της προσθετικής διαδικασίας με τη μέθοδο της εξώθησης συντηγμένου νήματος σε πολυμερή και σύνθετα υλικά που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή φυσικών αντικειμένων. Τα αντικείμενα αυτά είναι λεπτότοιχα (λόγω των πειραμάτων που έχουν πραγματοποιηθεί) και μπορούν να έχουν εφαρμογή στο χώρο της διακόσμησης εσωτερικού χώρου. Το μεγάλο πλεονέκτημα είναι ότι οι βέλτιστες τιμές των παραμέτρων που παρουσιάζονται μπορούν να χρησιμοποιηθούν και για την κατασκευή κάθε μορφής αντικειμένου με υψηλής ποιότητας χαρακτηριστικά και με το χαμηλότερο κόστος. Αρχικά, μέσω της βιβλιογραφίας αναλύονται οι παράμετροι που επηρεάζουν την τρισδιάστατη εκτύπωση με τη μέθοδο της εξώθησης συντηγμένου νήματος. Στη συνέχεια στην πρώτη πειραματική διάταξη εξετάζεται η επίδραση της θερμοκρασίας ακροφυσίου και του πάχους τοιχώματος στη διαστατική ακρίβεια και την τραχύτητα εκτυπωμένων δοκιμίων από PLA. Ύστερα από την ανάγνωση βιβλιογραφίας παρατηρήθηκε ότι υπάρχει ένα ερευνητικό κενό στην εξέταση της ποιότητας τρισδιάστατα εκτυπωμένων μοντέλων από σύνθετο υλικό που περιέχει ξυλόσκονη και βιοδιασπώμενο πολυμερές PLA (Wood/PLA). Στο δεύτερο πείραμα ερευνάται η επίδραση του πάχους στρώσης και της θερμοκρασίας ακροφυσίου στην ποιότητα λεπτότοιχων δοκιμίων από αυτό το σύνθετο υλικό (Wood/PLA) και στο τρίτο πείραμα εξέταζεται η αντοχή τους (εφελκυσμός, μέτρο ελαστικότητας) υπό την επίδραση διαφορετικών τιμών τεσσάρων μεταβλητών (πάχος στρώσης, θερμοκρασία ακροφυσίου, γωνία εναπόθεσης raster και ταχύτητα εκτύπωσης). Σε όλα τα πειράματα πραγματοποιήθηκε στατιστική ανάλυση των αποτελεσμάτων και εύρεση βέλτιστων τιμών. Σε ξεχωριστο κεφάλαιο παρουσιάζονται ορισμένα πειράματα αξιολόγησης αλλά και τα μοντέλα επικύρωσης τιμών που έχουν βρεθεί.