Tese de doutoramento - Programa Doutoral em
Ciência e Engenharia de Polímeros e CompósitosFree Form Extrusion (FFE) is a 3D fabrication process that involves depositing an
extruded filament onto successive horizontal planes, in order to build a physic part with
a specific geometry. The method is an adaptation of Fused Deposition Modeling
(FDM), whereby a commercial pre-extruded ABS filament is replaced by a miniextruder
capable of processing a wide range of materials, including homopolymers,
polymer blends and nanocomposites.
The mechanical performance of FFE parts is controlled by the bonding quality between
adjacent filaments both in the horizontal and vertical plans. Adjacent filaments must be
sufficiently hot to ensure adhesion, but should then cool down fast enough to avoid
excessive deformation due to gravity and weight of the filaments on top. Therefore, it is
important to know the evolution in time of the filaments temperature and how it is
affected by the major process variables.
Although several heat transfer models have been proposed in literature, most assume
simplifications without verifying their effective importance. In this work, a detailed
analysis of the contributions to the global heat transfer was made using the ABAQUS®
software. Heat exchanges with ambient by convection and between adjacent filaments
by conduction were found to be the most important. Consequently, these were taken in
the energy balance, in order to obtain a rigorous FFE heat transfer analytical model.
This analytical solution was then embedded into a routine capable of considering three
different deposition patterns, for parts with specific geometries. Moreover, an adhesion
criterion was implemented, in order to predict whether the operating conditions and
deposition patterns selected for the manufacture of a given part are adequate. The
deformation of the filaments was investigated by performing computational experiments
with the ABAQUS® software, assuming a temperature dependent viscoelastic response.
Since the maximum differences were shown to be quite small (< 0.2%), this
phenomenon was considered negligible The consequence of this work is then a computer code that rigorously considers and
inter-relates the three phenomena, with the potential of assisting the FFE user in
selecting the ideal process parameters in order to obtain a part with good performance.
This also allows testing the influence of many process variables and concluding about
the most important.Free Form Extrusion (FFE) é um processo 3D de fabricação que envolve a deposição de
um filamento extrudido em planos horizontais sucessivos, por forma a obter uma peça
com uma geometria específica. O método é uma adaptação do Fused Deposition
Modelling (FDM), através do qual um filamento de ABS comercial pré-extrudido é
substituído por uma mini-extrusora com a capacidade de processar uma grande
variedade de materiais, incluindo homopolímeros, misturas de polímeros e
nanocompósitos.
O desempenho mecânico das peças obtidas através da técnica FFE é influenciado pela
qualidade de adesão entre filamentos adjacentes, nos planos horizontais bem como
verticais. Os filamentos adjacentes devem ser suficientemente quentes para assegurar a
adesão, mas ter um arrefecimento suficientemente rápido para evitar a deformação
excessiva devido à gravidade e ao peso dos filamentos posicionados nas camadas
superiores. Consequentemente, é importante o conhecimento da evolução da
temperatura dos filamentos em função do tempo, e como este é afetado pelas principais
variáveis do processo.
Apesar de vários modelos de transferência de calor terem sido propostos na literatura,
na maior parte, simplificações são assumidas sem verificar a sua efetiva importância.
Neste trabalho, uma análise detalhada dos intervenientes na transferência de calor foi
elaborada usando o software ABAQUS®. Trocas de calor com o ambiente por
convecção e entre filamentos adjacentes por condução mostraram ser os mais
importantes. Consequentemente, estes foram incluídos no balanço de energia, a fim de
obter um modelo analítico rigoroso de transferência de calor para o processo FFE.
Esta solução analítica foi então incorporada numa rotina com a capacidade de
considerar três tipos diferentes de deposição, para peças com geometrias específicas.
Além disso, um critério de adesão foi implementado, a fim de prever se as condições
operatórias e os tipos de deposição selecionados para a construção de uma dada peça
são adequados A deformação dos filamentos foi investigada através da realização de experiências com
o software computacional ABAQUS®, assumindo uma resposta viscoelástica
dependente da temperatura. Uma vez que as diferenças máximas mostraram ser muito
baixas (< 0.2%), este fenômeno foi considerado negligenciável.
A consequência deste trabalho é portanto um código computacional que considera
rigorosamente e inter-relaciona os três fenómenos, com a potencialidade de auxiliar o
utilizador do processo FFE na seleção ideal dos parâmetros de processo, a fim de obter
uma peça com bom desempenho. Também permite testar a influência de diversas
variáveis de processo e concluir quais são as mais importantes
