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Connecting 3D printing parameters and mechanical properties of FDM polymers: experiments and modelling

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2019-11
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2019-11-08
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Los polímeros tradicionales presentan un comportamiento mecánico no lineal y dependiente de la temperatura y velocidad de deformación. A este complejo comportamiento, hay que añadirle una dependencia extra con los parámetros de impresión cuando se trata con piezas fabricadas por impresión 3D. Todas estas dependencias hacen que la caracterización mecánica y el modelado de polímeros impresos por 3D sean complejos. Entre todas las tecnologías de impresión 3D, el modelado por deposición fundida (FDM) es la más común para trabajar con polímeros termoplásticos. Toda pieza fabricada por FDM presenta cierta porosidad y una respuesta mecánica anisótropa debidas al propio proceso de fabricación. Sin embargo, lejos de ver esto como una desventaja, FDM puede permitir fabricar piezas con propiedades mecánicas a medida mediante el control de los parámetros del proceso de impresión. Esta tesis doctoral profundiza en el estudio de la relación entre los parámetros de impresión y las propiedades mecánicas de piezas poliméricas fabricadas por FDM. Para ello, es necesario estudiar y comprender la mecánica y termodinámica del proceso de impresión para avanzar en el conocimiento de la relación última entre parámetros de impresión y propiedades mecánicas. El objetivo final de esta tesis ha sido desarrollar herramientas de análisis y un modelo constitutivo para predecir la respuesta mecánica de termoplásticos fabricados por impresión 3D. Para alcanzar este objetivo, esta tesis se ha dividido en tres bloques principales: i. El primer bloque proporciona una caracterización experimental de la mesostructura y del comportamiento mecánico de probetas fabricadas por FDM. Se ha estudiado la influencia del espesor de capa, la orientación de impresión y el número de capas. Además, a partir de observaciones experimentales, se han desarrollado expresiones analíticas para la predicción de la densidad de vacíos y las propiedades mecánicas. ii. En el segundo bloque se han desarrollado modelos térmicos y de sinterización que permiten analizar la mecánica y termodinámica del proceso de impresión. Estos modelos han permitido estudiar el proceso de unión entre filamentos que tiene lugar durante la fabricación y la influencia de los parámetros de impresión sobre la mesostructura de piezas fabricadas por FDM. La combinación de estos modelos con las expresiones analíticas propuestas en el bloque previo, han permitido crear una metodología para predecir las propiedades mecánicas en función de los parámetros de impresión. Esta metodología proporciona los fundamentos sobre las características de los termoplásticos fabricados por FDM que motiva futuros modelos para la optimización de las propiedades mecánicas en función de los requisitos de servicio. iii. Finalmente, basado en observaciones experimentales, el tercer bloque presenta un modelo anisótropo visco-hiperelástico del continuo para polímeros fabricados por FDM. Este modelo incluye la dependencia de la respuesta mecánica con los parámetros de impresión analizados. La metodología propuesta en esta tesis se ha aplicado a un caso específico, incluyendo experimentación y simulaciones computacionales sobre el Acrilonitrilo Butadieno Estireno (ABS). Este termoplástico ha sido elegido, sin pérdida de generalidad, por ser uno de los materiales más empleados en FDM.
Traditional polymers present a complex mechanical behaviour by means of nonlinearity, temperature and rate dependencies. To these complexities, we need to add extra dependencies on printing process parameters when dealing with components manufactured by 3D printing. All these dependencies together make the characterisation and modelling of 3D printed polymers very challenging. Among all the 3D printing techniques, fused deposition modelling (FDM) is the most common for thermoplastic components. FDM components are porous materials with an anisotropic behaviour derived from the manufacturing process. However, despite it can seem a disadvantage, customised mechanical properties can be obtained by controlling these variables through the printing process. This doctoral dissertation deepens in the understanding of the relationship between the printing parameters and mechanical properties of FDM polymers. In this regard, it is also necessary to deal with the study of the mechanics and thermodynamics of the printing process. The final aim of this thesis is to provide analytical tools and a continuum mechanics constitutive model to predict the mechanical response of 3D printed thermoplastics. To this end, this thesis is composed of three principal blocks: i. The first block provides an experimental characterisation of the mesostructure and mechanical performance of FDM components. The influence of layer height, raster orientation and number of layers is studied. On the other hand, from the experimental observations, analytical expressions for the prediction of the void density and mechanical properties are developed. ii. In the second block, the mechanics and thermodynamics of the FDM process are studied through the development of thermal and sintering models. These permit to analyse the bonding process that takes place during the manufacturing process and study the influence of the printing parameters on the mesostructure of the FDM components. The combination of these models with the analytical expressions developed in the previous block allows for the proposal of a methodology to predict the final mechanical properties as a function of the printing parameters. This methodology provides the fundamentals of FDM thermoplastic characteristics to motivate further models and tools for optimisation of the mechanical properties as a function of the final requirements in service. iii. Finally, based on experimental observations, an anisotropic viscous-hyperelastic constitutive model for FDM polymers is developed in the third block. This model includes the dependence of the printing parameters on the mechanical behaviour. The methodology proposed in this thesis has been applied to a specific case, including experiments and computational simulations on Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS). This FDM thermoplastic has been chosen, without loss of generality, because it is one of the most common solutions for FDM components.
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Fused deposition modelling, FDM, FDM polymers, Thermoplastic polymers, 3D printing, Simulation
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