An experimentally validated multiscale numerical framework for simulating, calibrating and optimizing the FDM process and part performance: advancing towards a digital twin

Abstract

Due to economic growth and global interconnectivity driven by globalization and industrialization, the manufacturing sector has gained greater prominence over the last decade. The increasing focus of manufacturers on productivity, efficiency, and revenue has led to the adoption of advanced production systems in their production lines. Advanced production is an umbrella term that primarily focuses on production system technologies and adaptability. Market data suggest that the main motivations for investment in the manufacturing industry are the reduction of production costs and access to new markets through customizable products. Additive manufacturing (AM), or 3D printing, is opening new opportunities in terms of manufacturing capabilities, enabling innovative designs with significantly reduced production costs and shorter lead times. Among the various 3D printing technologies, Fused Deposition Modeling (FDM) shows strong potential in terms of availability, material and equipment cost, manufacturing speed, and post-processing requirements. However, it exhibits certain limitations regarding dimensional accuracy and the mechanical properties of the resulting parts. The existence of multiple interacting process parameters introduces uncertainties in manufactured part properties and overall performance. In addition, selecting suboptimal process parameters may lead to manufacturing defects (e.g., part warpage) or even failed prints, thereby slowing production and increasing costs. Therefore, a numerical workflow capable of overcoming the cost and time limitations of experimental methods while accurately predicting the resulting part properties can significantly improve and optimize manufacturing efficiency. The main objectives of the present investigation are summarized below: Development of an experimentally validated numerical methodology for the identification and prediction of the mesoscale geometry of 3D-printed parts based on process parameters. Development of a numerical framework incorporating multiple process parameters to simulate both the manufacturing process and the as-manufactured state. High-fidelity models generate a large dataset that overcomes the cost and time limitations of experimental methods. Optimization of manufacturing by calibrating process parameters through surrogate models. The dissertation consists of eight chapters, described below: Chapter 1 presents an overview of the background, applications, and methods of 3D printing. Particular emphasis is placed on market data and the comparison of different 3D printing technologies. The objectives of the present PhD thesis are also briefly outlined. Chapter 2 focuses on the process parameters and materials used in FDM. A comprehensive explanation of each parameter, its direct effects, and available control options is provided. Regarding materials, essential information is included, such as synthesis methods, typical properties, recyclability, printability, and post-processing considerations. Chapter 3 presents fundamental concepts of the numerical methods used throughout this dissertation, including computational solid mechanics and computational fluid dynamics. Chapter 4 provides a combined experimental and numerical analysis investigating the effect of printing parameters on the mesoscale geometry of 3D-printed parts. Specimens are manufactured using different parameter sets, and their cross-sections are examined through microscopic imaging. Corresponding geometries are generated numerically using a computational fluid dynamics (CFD) approach that incorporates material phase change. Chapter 5 presents the development of an experimentally validated numerical model that examines the effect of multiple parameters involved in the FDM process. Gradual material deposition under different combinations of slicing parameters is simulated. The results include element cooling duration, maximum plastic strain, and maximum von Mises stress. The resulting dataset is utilized by data-driven models to enable regression analysis and process optimization. Chapter 6 introduces a hybrid numerical and experimental methodology that investigates the effect of multiple slicing parameters on the as-manufactured state of FDM parts. A mesoscale approach based on G-code commands captures the bonding of adjacent rasters and reconstructs the as-manufactured state. A methodology for identifying material properties is presented, along with a homogenization scheme for larger components. Design cases involving multiple process parameters are simulated, and the results include both mechanical and process responses. The resulting dataset is used to construct response surfaces, enabling accurate predictions and component-based optimization. Chapter 7 presents a hybrid experimental and numerical study of the factors affecting nozzle temperature in order to achieve accurate calibration and the desired printing temperature. Infrared (IR) camera images reveal discrepancies between the printing temperature defined during slicing and the actual nozzle temperature. A validated numerical methodology accurately captures the thermal losses of a typical hotend and simulates multiple printing scenarios. The resulting dataset is used in data-driven models for regression analysis, enabling precise nozzle temperature calibration. Chapter 8 summarizes the main conclusions of the present work and outlines proposals for future research directions.

Λόγω της οικονομικής ανάπτυξης και της παγκόσμιας διασύνδεσης που προκύπτει από τη σύγχρονη παγκοσμιοποίηση και βιομηχανοποίηση, ο τομέας της μεταποίησης έχει αποκτήσει αυξημένη σημασία κατά την τελευταία δεκαετία. Η αυξανόμενη έμφαση των κατασκευαστών στην παραγωγικότητα, την αποδοτικότητα και τα έσοδα έχει οδηγήσει στην υιοθέτηση προηγμένων συστημάτων παραγωγής στις γραμμές παραγωγής τους. Η προηγμένη παραγωγή αποτελεί έναν όρο-ομπρέλα που επικεντρώνεται κυρίως στις τεχνολογίες συστημάτων παραγωγής και στην προσαρμοστικότητά τους. Τα δεδομένα της αγοράς υποδεικνύουν ότι τα βασικά κίνητρα για επενδύσεις στη μεταποιητική βιομηχανία είναι η μείωση του κόστους παραγωγής και η πρόσβαση σε νέες αγορές μέσω εξατομικευμένων προϊόντων. Η τρισδιάστατη εκτύπωση, δημιουργεί νέες ευκαιρίες ως προς τις δυνατότητες παραγωγής, επιτρέποντας καινοτόμους σχεδιασμούς με σημαντικά μειωμένο κόστος παραγωγής και μικρότερους χρόνους διάθεσης στην αγορά. Μεταξύ των διαφόρων τεχνολογιών τρισδιάστατης εκτύπωσης, η Fused Deposition Modeling (FDM) παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον ως προς τη διαθεσιμότητα, το κόστος υλικών και εξοπλισμού, την ταχύτητα κατασκευής και τις απαιτήσεις μετα-επεξεργασίας. Ωστόσο, παρουσιάζει ορισμένους περιορισμούς όσον αφορά τη διαστατική ακρίβεια και τις μηχανικές ιδιότητες των παραγόμενων εξαρτημάτων. Η ύπαρξη πολλαπλών αλληλεπιδρώντων παραμέτρων διεργασίας εισάγει αβεβαιότητες στις ιδιότητες και στη συνολική μηχανική συμπεριφορά των κατασκευασμένων εξαρτημάτων. Επιπλέον, η επιλογή μη βέλτιστων παραμέτρων διεργασίας μπορεί να οδηγήσει σε κατασκευαστικά σφάλματα (π.χ. στρέβλωση εξαρτήματος) ή ακόμη και σε αποτυχημένες εκτυπώσεις, επιβραδύνοντας την παραγωγή και αυξάνοντας το κόστος. Συνεπώς, μια αριθμητική ροή εργασίας της διεργασίας, ικανή να υπερβεί τους χρονικούς και οικονομικούς περιορισμούς των πειραματικών μεθόδων και να επιτύχει ακριβείς προβλέψεις των τελικών ιδιοτήτων των εξαρτημάτων, μπορεί να βελτιώσει και να βελτιστοποιήσει σημαντικά την αποδοτικότητα της παραγωγής. Οι κύριοι στόχοι της παρούσας έρευνας συνοψίζονται ως εξής: Ανάπτυξη πειραματικά επικυρωμένης αριθμητικής μεθοδολογίας για την αναγνώριση και πρόβλεψη της μεσοκλιμακικής γεωμετρίας τρισδιάστατα εκτυπωμένων εξαρτημάτων, με βάση τις παραμέτρους εκτύπωσης. Ανάπτυξη αριθμητικού πλαισίου που ενσωματώνει πολλαπλές παραμέτρους διεργασίας και προσομοιώνει τόσο τη διαδικασία κατασκευής όσο και την κατάσταση του εξαρτήματος όπως κατασκευάστηκε. Τα μοντέλα υψηλής πιστότητας δημιουργούν ένα εκτενές σύνολο δεδομένων, υπερβαίνοντας τους χρονικούς και οικονομικούς περιορισμούς των πειραματικών μεθόδων. Βελτιστοποίηση της παραγωγικής διαδικασίας μέσω βαθμονόμησης των παραμέτρων διεργασίας με τη χρήση υποκατάστατων (surrogate) μοντέλων. Η διατριβή αποτελείται από οκτώ κεφάλαια, τα οποία παρουσιάζονται συνοπτικά παρακάτω: Στο Κεφάλαιο 1 παρουσιάζεται επισκόπηση του θεωρητικού υπόβαθρου, των εφαρμογών και των μεθόδων της τρισδιάστατης εκτύπωσης. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στα δεδομένα της αγοράς και στη σύγκριση των διαφορετικών τεχνολογιών τρισδιάστατης εκτύπωσης. Παρουσιάζονται επίσης συνοπτικά οι στόχοι της παρούσας διδακτορικής διατριβής. Το Κεφάλαιο 2 επικεντρώνεται στις παραμέτρους διεργασίας και στα υλικά που χρησιμοποιούνται στη FDM. Παρέχεται αναλυτική επεξήγηση κάθε παραμέτρου, της άμεσης επίδρασής της και των διαθέσιμων επιλογών ελέγχου. Όσον αφορά τα υλικά, παρουσιάζονται βασικές πληροφορίες σχετικά με τη σύνθεσή τους, τις τυπικές ιδιότητες, τη δυνατότητα ανακύκλωσης, την εκτυπωσιμότητα και τις απαιτήσεις μετα-επεξεργασίας. Στο Κεφάλαιο 3 παρουσιάζονται βασικά στοιχεία των αριθμητικών μεθόδων που χρησιμοποιούνται στη διατριβή, στους τομείς της υπολογιστικής μηχανικής στερεού και της υπολογιστικής ρευστοδυναμικής. Το Κεφάλαιο 4 περιλαμβάνει συνδυασμένη πειραματική και αριθμητική ανάλυση για τη διερεύνηση της επίδρασης των παραμέτρων εκτύπωσης στη μεσοκλιμακική γεωμετρία των τρισδιάστατα εκτυπωμένων εξαρτημάτων. Κατασκευάζονται δοκίμια με διαφορετικούς συνδυασμούς παραμέτρων και οι εγκάρσιες τομές τους εξετάζονται μέσω μικροσκοπικής απεικόνισης. Αντίστοιχες γεωμετρίες προσομοιώνονται αριθμητικά με χρήση προσέγγισης υπολογιστικής ρευστοδυναμικής (CFD), λαμβάνοντας υπόψη τη μεταβολή φάσης του υλικού. Το Κεφάλαιο 5 παρουσιάζει την ανάπτυξη πειραματικά επικυρωμένου αριθμητικού μοντέλου που εξετάζει την επίδραση πολλαπλών παραμέτρων της διεργασίας FDM. Προσομοιώνεται η σταδιακή εναπόθεση υλικού για διαφορετικούς συνδυασμούς παραμέτρων τεμαχισμού (slicing). Τα αποτελέσματα περιλαμβάνουν τον χρόνο ψύξης στοιχείων, τη μέγιστη πλαστική παραμόρφωση και τη μέγιστη τάση von Mises. Το προκύπτον σύνολο δεδομένων αξιοποιείται μέσω μοντέλων βασισμένων σε δεδομένα για ανάλυση παλινδρόμησης και βελτιστοποίηση της διεργασίας. Το Κεφάλαιο 6 παρουσιάζει μια υβριδική αριθμητική και πειραματική μεθοδολογία για τη διερεύνηση της επίδρασης πολλαπλών παραμέτρων τεμαχισμού στην κατάσταση του εξαρτήματος όπως κατασκευάστηκε. Μια μεσοκλιμακική προσέγγιση βασισμένη σε εντολές G-code αποτυπώνει τη συγκόλληση γειτονικών νηματικών διαδρομών (rasters) και αναπαράγει την τελική κατασκευασμένη κατάσταση. Παρουσιάζεται μεθοδολογία αναγνώρισης ιδιοτήτων υλικού, καθώς και σχήμα ομογενοποίησης για μεγαλύτερα εξαρτήματα. Προσομοιώνονται περιπτώσεις σχεδιασμού με πολλαπλές παραμέτρους διεργασίας και τα αποτελέσματα περιλαμβάνουν τόσο μηχανικές αποκρίσεις όσο και αποκρίσεις διεργασίας. Το προκύπτον σύνολο δεδομένων χρησιμοποιείται για την κατασκευή επιφανειών απόκρισης, επιτρέποντας ακριβείς προβλέψεις και βελτιστοποίηση σε επίπεδο εξαρτήματος. Το Κεφάλαιο 7 παρουσιάζει υβριδική πειραματική και αριθμητική μελέτη των παραγόντων που επηρεάζουν τη θερμοκρασία του ακροφυσίου, με στόχο τη βαθμονόμηση και την επίτευξη της επιθυμητής θερμοκρασίας εκτύπωσης. Εικόνες από υπέρυθρη (IR) κάμερα αποκαλύπτουν απόκλιση μεταξύ της θερμοκρασίας εκτύπωσης που ορίζεται κατά τον τεμαχισμό και της πραγματικής θερμοκρασίας του ακροφυσίου. Εφαρμόζεται επικυρωμένη αριθμητική μεθοδολογία που αποτυπώνει με ακρίβεια τις θερμικές απώλειες ενός τυπικού hotend και προσομοιώνει πολλαπλά σενάρια εκτύπωσης. Το παραγόμενο σύνολο δεδομένων τροφοδοτεί μοντέλα βασισμένα σε δεδομένα για ανάλυση παλινδρόμησης, επιτρέποντας τη βαθμονόμηση της θερμοκρασίας του ακροφυσίου. Στο Κεφάλαιο 8 συνοψίζονται τα κύρια συμπεράσματα της παρούσας εργασίας και διατυπώνονται προτάσεις για μελλοντική έρευνα.