Study and modelling the 3-D printing of amorphous materials using high deposition rate

Abstract

Material extrusion additive manufacturing has remained constrained by a fundamental trade-off between production speed and part quality, with amorphous thermoplastics presenting unique challenges due to their continuous glass transition behavior and complex viscoelastic response under non-isothermal processing conditions. This dissertation addresses the dual challenge of understanding amorphous polymer behavior while simultaneously enabling high-speed deposition without quality degradation. The absence of discrete melting points and the time-temperature-dependent properties of amorphous materials create rheological complexities that conventional process models fail to capture, particularly near the glass transition region where material behavior becomes critically sensitive to thermal history and deformation rates. Through integrated theoretical and experimental investigation, we establish a comprehensive framework. Systematic characterization reveals that amorphous thermoplastics exhibit processing windows where high-speed manufacturing becomes feasible through precise control of thermal management and deposition dynamics. Novel vibration compensation methodologies address dynamic response limitations that emerge at high speeds. This work establishes that both speed limitations and material-specific challenges represent knowledge gaps rather than intrinsic barriers, offering generalizable principles applicable to broader classes of disordered materials.

Η Προσθετική Κατασκευή με εξώθηση υλικού παραμένει περιορισμένη από μια θεμελιώδη αντιπαράθεση μεταξύ της ταχύτητας παραγωγής και της ποιότητας των εξαρτημάτων, με τα άμορφα θερμοπλαστικά να παρουσιάζουν μοναδικές προκλήσεις λόγω της συνεχούς συμπεριφοράς τους σε υαλώδη μετάβαση και της πολύπλοκης ιξωδοελαστικής απόκρισης υπό μη ισοθερμικές συνθήκες επεξεργασίας. Η διατριβή αυτή αντιμετωπίζει τη διπλή πρόκληση της κατανόησης της συμπεριφοράς των άμορφων πολυμερών, ενώ ταυτόχρονα επιτρέπει την χρήση υψηλών ρυθμών εναπόθεσης υλικού χωρίς υποβάθμιση της ποιότητας. Η απουσία διακριτών σημείων τήξης και οι ιδιότητες των άμορφων υλικών που εξαρτώνται από το χρόνο και τη θερμοκρασία δημιουργούν ρεολογικές πολυπλοκότητες που τα συμβατικά μοντέλα επεξεργασίας δεν μπορούν να αποτυπώσουν, ιδιαίτερα κοντά στην περιοχή της υαλώδους μετάπτωσης, όπου η συμπεριφορά του υλικού γίνεται εξαιρετικά ευαίσθητη στο θερμικό ιστορικό και στους ρυθμούς παραμόρφωσης. Μέσω ολοκληρωμένης θεωρητικής και πειραματικής έρευνας, δημιουργούμε ένα ολοκληρωμένο πλαίσιο. Ο συστηματικός χαρακτηρισμός υλικών αποκαλύπτει ότι τα άμορφα θερμοπλαστικά παρουσιάζουν παράθυρα επεξεργασίας όπου η κατασκευή υψηλής ταχύτητας καθίσταται εφικτή μέσω του ακριβούς ελέγχου της θερμικής διαχείρισης. Νέες μεθοδολογίες αντιστάθμισης των κραδασμών μειώνουν τους περιορισμούς της δυναμικής απόκρισης του συστήματος, οι οποίες εμφανίζονται σε υψηλές ταχύτητες. Η εργασία αυτή αποδεικνύει ότι τόσο οι περιορισμοί ταχύτητας όσο και οι προκλήσεις που σχετίζονται με συγκεκριμένα υλικά αντιπροσωπεύουν κενά γνώσης και όχι εγγενή εμπόδια, προσφέροντας γενικεύσιμες αρχές που μπορούν να εφαρμοστούν σε περισσότερα υλικά.