Thermische analyse en karakterisatie van fused filament fabrication

Fused filament fabrication (FFF) is de meest toegankelijke 3D printing of additive manufacturing technologie voor het grote publiek en professionele klanten. Het wordt steeds meer gebruikt in het dagelijks leven, alsook in het basis-, middelbaar en hoger onderwijs, en in industrieën zoals de auto-industrie, de lucht- en ruimtevaart en de geneeskunde.

FFF maakt gebruik van een thermoplastisch filament om een 3D onderdeel te maken op een additieve manier, meestal streng voor streng en dan laag voor laag. Tijdens het proces wordt het filament zacht gemaakt in een heet metalen blok en vervolgens door een spuitmond geëxtrudeerd door de druk van het filament zelf vanaf het koude uiteinde. Een bewegingsbesturingssysteem verdeelt het extrudaat vervolgens selectief over een bestaand substraat, zoals een ondersteunende bouwplaat of eerder gedeponeerd materiaal. Verschillende afgezette strengen smelten dan samen om een onderdeel te vormen, aangedreven door de thermische energie van het materiaal.

Het thermische proces en de thermische geschiedenis in het geprinte onderdeel zijn sinds de uitvinding van deze technologie uitgebreid onderzocht. Veel aspecten zijn echter nog niet grondig begrepen. Bijvoorbeeld de extrudaattemperatuur bij de spuitmonduitlaat, de rol van stralingswarmteoverdracht tussen het geprinte onderdeel en het hete uiteinde, of de zwakke verbinding tussen lagen. Deze onbekenden of twijfels zijn gerelateerd aan de fundamentele eigenschappen van FFF, waaronder de veranderende geometrie tijdens de additieve depositie, de kleine afmetingen van de warmteoverdracht (typische orde van grootte voor de laagdikte 10^2 µm, en snelle faseveranderingen van de glas naar visco-elastische fase en dan terug naar de glasachtige toestand binnen een gebruikelijke tijdsspanne van 10^2 of 10^2 s. Een uitgebreide beschrijving van het gehele thermische proces startende van het filament tot het finaal geprinte onderdeel ontbreekt nog.

Deze dissertatie onderzoekt het thermische proces in FFF door thermische monitoring en modellering om een betere procescontrole, onderdeelprestaties en hogere productie-efficiëntie te bereiken. Het combineert experimentele monitoring door middel van infraroodthermografie met numerieke en analytische analyses om de warmteoverdracht binnen en buiten het hete uiteinde te bestuderen, met name de temperatuurvelden en hun variaties tijdens het printen.

Er is een open-access numeriek model ontwikkeld, T4F3: Temperature for Fused Filament Fabrication, om de transiënte en stationaire temperatuur van het geprinte onderdeel te berekenen wanneer de gebruiker het materiaal, de geometrie en de procescondities opgeeft. Het model is uitgebreid gevalideerd aan de hand van zowel experimentele gegevens uit de literatuur, alsook zelf verzamelde data. Ze omvatten verschillende machines, geometrieën, materialen, procesomstandigheden, temperatuurmeetmethoden, enz. De invloed van thermische geleiding (bv. heropwarming binnen en tussen lagen, anisotropie van geleiding), thermische convectie (de rol van een gesloten kamer, printen in vacuüm) en thermische straling (tussen het geprinte onderdeel en de verre omgeving of het hete uiteinde) zijn in detail onderzocht. Het model is met succes toegepast om printen op de maan te simuleren, om adaptieve printstrategieën te ontwikkelen om smelt te voorkomen, om in-situ stralingsvoorverwarming en naverwarming te ontwerpen om zwakke bindingen te elimineren, en om printpaden te ontwerpen die leiden tot locatie-onafhankelijke bindingskwaliteit.

Het model is vrij beschikbaar op https://iiw.kuleuven.be/onderzoek/aml/technologyoffer/FFFthermalsimulation/T4F3_original. Benoem het FFF-proces, en het model geeft alle temperatuurinformatie over het geprinte onderdeel.