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Untersuchung und Modellierung von Kunststoffextrusionssystemen in der Fused Filament Fabrication

Nienhaus, Vinzenz (2021):
Untersuchung und Modellierung von Kunststoffextrusionssystemen in der Fused Filament Fabrication. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00017756,
[Ph.D. Thesis]

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2020_Diss_VN_Untersuchung_Modellierung_Kunststoffextrusionssysteme_FFF.pdf
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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Untersuchung und Modellierung von Kunststoffextrusionssystemen in der Fused Filament Fabrication
Language: German
Abstract:

Die Fused Filament Fabrication (FFF, Markenname FDM) ist ein allgegenwärtiges additives Fertigungsverfahren, befindet sich jedoch industriell im Stadium der Erprobung und es fehlen wissenschaftliche Erkenntnisse über den Prozess. Dies hat besondere Bedeutung für den wachsenden Markt 3D-gedruckter Medizinprodukte, zum Beispiel Implantate aus PEEK oder resorbierbare Mikrostrukturen zur Osseointegration und zum Tissue Engineering. Die vorliegende Arbeit untersucht grundlegende Zusammenhänge von Filamentantrieb und Aufschmelzsystem durch Variation der signifikanten Einflussparameter unter Einbeziehung aktueller Extrusionssystemdesigns. Das Ergebnis ist ein Closed-Loop-Modell zur sensorlosen Schlupfkompensation des Extrusionssystems. Es wurde ein Vergleich unterschiedlicher Filamentantriebe durchgeführt und Radantriebe zur Untersuchung ausgewählt. Die maximale Filamentvorschubkraft und der vorschubkraftabhängige Schlupf sind abhängig von der Andruckkraft der Räder. Die maximale Filamentvorschubkraft steigt bis zu einem Sättigungsbereich, der durch ein Eindringmodell der Antriebsradzähne erklärt werden konnte. Der Schlupf ist linear abhängig von der Filamentvorschubkraft, der neu definierten Schlupfsteigung, und die Schlupfsteigung reziprok quadratisch abhängig von Andruckkraft, die nachweislich mit grundlegenden Modellen aus der analytischen Kontaktmechanik zusammenhängt. Der zusätzliche Einfluss der Filamentvorschubgeschwindigkeit ist mit einem viskoelastischen Materialmodell erklärbar. Die Ergebnisse zeigen Ähnlichkeiten zwischen PLA, PA und PET-G als Filamentmaterial, wobei PA und PET-G anfällig für Knicken sind. Das Aufschmelzsystem wurde zuvor in analytischen Modellen beschrieben, aber es fehlten umfassende empirische Daten mit einer Übersicht der Einflussparameter und einer Prozessbeschreibung. Es wurde ein Arbeitsbereich des Aufschmelzsystems auf Basis der Prozesskräfte, die zur Extrusion des Kunststoffes notwendig sind, beschrieben. Eine Péclet-Zahl für den Wärmeübergang erklärt die Kraftüberhöhung bei niedrigen Filamentvorschubgeschwindigkeiten. Es existiert eine zuverlässige Extrusion im mittleren und Schmelzeinstabilitäten im hohen Filamentvorschubgeschwindigkeitsbereich. Das Material der Düse und des Einlaufwinkels haben keinen dominierenden Einfluss auf die resultierenden Prozesskräfte. Mehrkanal oder abgestufte Geometrien verringern die Prozesskräfte, aber weisen ausgeprägte Schmelzeinstabilitäten auf. Zusammen mit Schmelzeinstabilitäten tritt auch eine signifikante Schwellung auf. Diese steigert den extrudierten Strangdurchmesser auf bis das 2,8-fache des Kapillardurchmessers über die Filamentvorschubgeschwindigkeit und stellt eine Schwierigkeit für die Herstellung von präzisen Bauteilen dar. Wird das Kennfeld der Prozesskraft des Aufschmelzsystems mit der Schlupfcharakteristik des Filamentantriebs kombiniert, lässt sich eine sensorlose Kompensation des Schlupfes durchführen. Dies wurde am Beispiel eines modifizierten Prusa i3 MK3S mit einem Nachbearbeitungsskript für den Slicer Cura 4.6.0 durchgeführt.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

The Fused Filament Fabrication (FFF, trademark FDM) is a ubiquitous additive manufacturing method, but is in the state of trial and error and lacks scientific knowledge about the process. This is especially important for the increasing market of 3d-printed biomedical products, e. g. implants from PEEK or resorbable microstructures for osseointegration and for tissue engineering. Thus, this work investigates the basic interplay of the filament drive and the liquefier by varying the significant influencing factors comprehending current extrusion system designs. It resulted in a closed-loop model for sensor-less slip compensation of the extrusion system. A comparison of different filament drives is carried out and roller drives are selected for examination. The roller drive is influenced by the pinch force between the rollers; controlling the maximum feed force and feed-force-dependent slip. The maximum feed force increases up to a saturation range, which was explained by a penetration model of the drive wheel teeth. The slip is linearly increased by the drive force, the newly defined slope of slip, and the slope of slip is reciprocally quadratic depending on the pinch force, which is shown to be related to fundamental models taken from analytical contact mechanics. An additional influence of the filament feed velocity is explained by a viscoelastic material model. The results show a similarity between PLA, PA and PET-G as filament materials, with PA and PET-G being susceptible to buckling. The liquefier was previously described in analytical models but lacked comprehensive empirical data and an overview of the influence parameters and process description. A working range of the liquefier is described based on the process forces, which are needed for the extrusion of the plastics. A Péclet number for the heatbreak explains the above-average process forces in the low filament feed velocity range. There is a region of stable extrusion in the intermediate and melt instabilities in the high filament feed velocity range. The nozzle's material and conical angle had no dominant influence on the resulting process forces. Multi-channel and stepped nozzle geometries lower the process forces but also feature severe melt instabilities. Along with the instabilities, there is a significant die swell. It increases the extruded strand diameter to 2.8 times the size of the capillary diameter and poses difficulties to the precise manufacturing of parts. When the characteristic map of the process force of the liquefier is combined with the slip characteristic of the filament drive, the sensor-less compensation of the slip is achieved. This was demonstrated by modified Prusa i3 MK3S with a post-processing script for the slicer Cura 4.6.0.

English
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xv, 195 Seiten
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Printing Science and Technology (IDD)
Date Deposited: 13 Apr 2021 08:49
Last Modified: 13 Apr 2021 08:49
DOI: 10.26083/tuprints-00017756
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-177568
Referees: Dörsam, Prof. Dr. Edgar ; Oechsner, Prof. Dr. Matthias
Refereed: 28 October 2020
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/17756
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