The effect of printing velocity on the temperature and viscosity of the polymer thread at the nozzle exit in 3D printers

• Autorzy: Baeza-Campuzano Alberto , Castaño Victor M.

Identyfikatory

DOI

10.14314/polimery.2021.2.6

Warianty tytułu

PL

Wpływ prędkości drukowania na temperaturę i lepkość nici polimerowej na wyjściu z dyszy drukarki 3D

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Fused Deposition Modelling (FDM) is a powerful method for advanced additive manufacturing of polymeric materials, due to its simplicity and low cost. However, the process implies complex phenomena which are not fully understood yet. In particular, the effect of viscosity on the printed thread is a key parameter to control if good quality products are to be obtained. Experimental data of two grades of acrylonitrile-butadiene- styrene copolymer (ABS) was employed to analyse, by using ANSYS Fluent simulation package, six printing velocities at a temperature of 230°C. A drastic temperature change was observed as the printing velocity increases, confirming the effect of viscosity on the shear created on the wall of the nozzle transversal to the printing bed. The polymers analysed present different viscosity behavior even under the same angular frequency range (0.1 to 100 rad/s), and testing temperature (230°C), which could lead to inhomogeneities. Our results allow taking into account these parameters as part of the design criteria.

PL

Technologia druku 3D – FDM (Fused Deposition Modelling), dzięki prostocie i niskiemu kosztowi, stanowi skuteczną zaawansowaną metodę przyrostowego wytwarzania elementów z materiałów polimerowych. Jednak występujące w tym procesie złożone zjawiska nie są jeszcze w pełni poznane. Kluczowym parametrem determinującym możliwość uzyskania produktów dobrej jakości jest lepkość stopionego polimeru, zależna od prędkości druku. Na podstawie wyników badań dwóch odmian kopolimeru akrylonitryl-butadien-styren (ABS), za pomocą programu symulacyjnego ANSYS Fluent, przeanalizowano zależności dla sześciu prędkości drukowania w temperaturze 230°C. Zaobserwowano istotną zmianę temperatury polimerowej nici wraz ze wzrostem prędkości druku, co potwierdza wpływ lepkości na naprężenia ścinające występujące na ściance dyszy, poprzecznie do stołu drukującego. Analizowane polimery wykazywały różną lepkość, nawet w tym samym zakresie częstotliwości kątowej (0,1 do 100 rad/s) i w takiej samej temperaturze (230°C), co może prowadzić do niejednorodności stopionego tworzywa. Uzyskane wyniki wskazują, że parametry te należy uwzględnić przy projektowaniu procesu druku.

Słowa kluczowe

EN

Fused Deposition Modelling; 3D printing; additive manufacturing; ANSYS modelling

PL

metoda Fused Deposition Modelling; druk 3D; wytwarzanie addytywne; modelowanie ANSYS

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Chemii Przemysłowej
• Czasopismo: Polimery
• Rocznik: 2021
• Tom: T. 66, nr 2
• Strony: 127--138
• Opis fizyczny: Bibliogr. 22 poz., rys. kolor.

Twórcy

autor

Baeza-Campuzano Alberto

• Universidad Nacional Autónoma de México, Centro de Física Aplicada y Tecnología Avanzada, Boulevard Juriquilla 3001, Querétaro 76230

• https://orcid.org/0000-0002-7241-6836

autor

Castaño Victor M.

• Universidad Nacional Autónoma de México, Centro de Física Aplicada y Tecnología Avanzada, Boulevard Juriquilla 3001, Querétaro 76230

• https://orcid.org/0000-0002-2983-5293

Bibliografia

• [1] Huang B., Singamneni S.: Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B: Journal of Engineering Manufacture 2014, 228 (1), 111 http://dx.doi.org/10.1177/0954405413497474
• [2] Guo N., Leu M.C.: Frontiers of Mechanical Engineering 2013, 8 (3), 215 http://dx.doi.org/10.1007/s11465-013-0248-8
• [3] Turner B.N., Gold S.A.: Rapid Prototyping Journal 2015, 21 (3), 250 http://dx.doi.org/10.1108/RPJ-02-2013-0017
• [4] Turner B.N., Strong R., Gold S.A.: Rapid Prototyping Journal 2014, 20 (3), 192 http://dx.doi.org/10.1108/RPJ-01-2013-0012
• [5] Thrimurthulu K., Pandey P.M., Reddy N.V.: International Journal of Machine Tools and Manufacture 2004, 44 (6), 585 http://dx.doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2003.12.004
• [6] Kulkarni P., Dutta D.: Journal of Manufacturing Science and Engineering 1999, 121 (1), 93 http://dx.doi.org/10.1115/1.2830582
• [7] Alexander A., Allen S., Dutta D.: Computer-Aided Design 1998, 30 (5), 343 http://dx.doi.org/10.1016/S0010-4485(97)00083-3
• [8] Kolossov S., Boillat E., Glardon R. et al.: International Journal of Machinery Tools Manufacturing 2004, 44 (2), 117 http://dx.doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2003.10.019
• [9] Fodran E., Koch M., Menon U.: “Mechanical and Dimensional Characteristics of Fused Deposition Modelling Build Styles”, International Solid Freeform Fabrication Symposium 1996 http://dx.doi.org/10.15781/T20V8B325
• [10] Bertoldi M., Yardimci M., Pistor C.M. et al.: “Mechanical Characterization of Parts Processed via Fused Deposition”, International Solid Freeform Fabrication Symposium 1998 http://dx.doi.org/10.26153/tsw/646
• [11] Gurrala P.K., Regalla S.P.: Virtual and Physical Prototyping 2014, 9 (3), 141 http://dx.doi.org/10.1080/17452759.2014.913400
• [12] Zhou Y., Nyberg T., Xiong G., Liu D.: “Temperature Analysis in the Fused Deposition Modeling Process”, 2016 3rd International Conference on Information Science and Control Engineering (ICISCE), July 2016, pp. 678–682. http://dx.doi.org/10.1109/ICISCE.2016.150
• [13] Yardimci M.A., Hattori T., Guceri S.I., Danforth S.C.: “Thermal Analysis of Fused Deposition”, 1997 International Solid Freeform Fabrication Symposium, University of Texas, Austin 1997, vol. 8, p. 10.
• [14] Wang Z., Smith D.E.: Journal of Composites Science 2018, 2 (1), 10. http://dx.doi.org/10.3390/jcs2010010
• [15] Ramanath H.S., Chua C.K., Leong K.F., Shah K.D.: Journal of Materials Science: Materials in Medicine 2008, 19 (7), 2541. http://dx.doi.org/10.1007/s10856-007-3203-6
• [16] Nikzad M., Sayed H.M., Sbarski I., Groth A.: Tsinghua Science and Technology 2009, 14 (S1), 29 http://dx.doi.org/10.1016/S1007-0214(09)70063-X
• [17] Papon E.A., Haque A., Sharif M.: “Effect of Nozzle Geometry on Melt Flow Simulation and Structural Property of Thermoplastic Nanocomposites in Fused Deposition Modeling”, Proceedings of The American Society for Composites, Thirty-Second Technical Conference October 2017. http://dx.doi.org/10.12783/asc2017/15339
• [18] Heij W.J.: “Feed velocity feedback for high speed fused deposition modelling machines”, Master thesis, Biomedical Engineering, TU Delft, TU Delft Netherlands 2016.
• [19] Bellini A.: “Fused deposition of ceramics: a comprehensive experimental, analytical and computational study of material behavior, fabrication process and equipment design |iDEA: DREXEL LIBRARIES E-REPOSITORY AND ARCHIVES”, Ph.D., Engineering, Materials Science, Drexel University 2002.
• [20] Ajinjeru C., Kishore V., Chen X. et al.: “The Influence of Rheology on Melt Processing Conditions of Amorphous Thermoplastics for Big Area Additive Manufacturing (BAAM)”, Proceedings of the 27th Annual International Solid Freeform Fabrication Symposium, August 2016.
• [21] Mackay M.E., Swain Z.R., Banbury C.R. et al.: Journal of Rheology 2017, 61 (2), 229 http://dx.doi.org/10.1122/1.4973852
• [22] Geng P., Zhao J., Wu W. et al.: Journal of Manufacturing Processes 2019, 37, 266 http://dx.doi.org/10.1016/j.jmapro.2018.11.023

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2021).