Studying and Modelization of Polymer Rheology during the FDM Process (Additive Manufacturing)
Etude et Modélisation de la rhéologie des polymères au cours du procédé FDM (Fabrication additive)
Résumé
The aim of this study is to model the rheological characteristics of 3D-printed parts. To achieve this goal, a bibliographic study was carried out on the effects of major process variables on temperature evolution and their impact on rheological characteristics. Since the rheological characteristics such as viscosity are a function of temperature, they could be correlated to the temperature evolution of deposited filaments. Besides, to acknowledge the bonding of adjacent filaments, it is important to consider the temperature evolution at their interfaces.At the early stage, the role of three parameters, liquefier temperature, platform temperature, and print speed on the mechanical strength and the quality of final part has been discussed. It was found that interaction of parameters plays the most important role in consideration of mechanical characterization of printed parts and also Young’s modulus and failure strain could be an indicator to evaluate the mechanical performance of printed parts. Then, finite volume method was applied to model the heat transfer of deposited filaments and then was validated by a novel experimental approach in which very small K-type thermocouples were employed to perform the in-process monitoring of temperature profile at the interface of deposited filaments. The temperature evolution was predicted in good agreement with the recorded experimental results.The obtained results were then embedded into the rheological characteristic of filaments by modeling the viscosity evolution of filaments and the effect of major process variables on them. Moreover, efforts have been made to propose a ‘Time-Temperature-Transformation’ (TTT) diagram of filaments during deposition that enables the evaluation of temperature and viscosity simultaneously. The consequence of this study is then a computer code that considers the obtained results and predictions, with the potential of letting researchers in optimizing the process to obtain good final parts.
L'étude a pour objet de modéliser les caractéristiques rhéologiques des pièces imprimées en 3D. Pour atteindre cet objectif, une étude bibliographique a été réalisée sur les effets des principales variables du processus de l'évolution de la température et leur impact sur les caractéristiques rhéologiques. Puisque les caractéristiques rhéologiques telles que la viscosité dépendent de la température, elles pourraient être corrélées à l'évolution de la température des filaments déposés. Par ailleurs, pour reconnaître la liaison des filaments adjacents, il est important de prendre en considération l'évolution de la température à leurs interfaces.Au début, le rôle de la température du la buse, la température du plateau et la vitesse d'impression sur la résistance mécanique et la qualité de la pièce finale a été discuté. Il a été constaté que l'interaction des paramètres joue un rôle important en ce qui concerne la caractérisation mécanique des pièces imprimées et le module de Young. De plus la déformation à la rupture pourraient être un indicateur pour évaluer les performances mécaniques des pièces imprimées. Ensuite, la méthode des volumes finis a été appliquée pour modéliser le transfert de chaleur des filaments déposés puis a été validé par une nouvelle approche expérimentale dans laquelle de très petits thermocouples de type K ont été utilisés pour surveiller la température du profil à l'interface des filaments déposés. L'évolution de la température a été prédite en concordance avec les résultats expérimentaux enregistrés.Les résultats obtenus ont ensuite été intégrés dans la caractéristique rhéologique des filaments en modélisant l'évolution de leur viscosité et l'effet des principales variables du processus. De plus, un diagramme « Temps-Température-Transformation » (TTT) des filaments pendant le dépôt qui permet d'évaluer simultanément la température et la viscosité a été mis en place. Cette étude a permis d’aboutir à un code informatique regroupant les résultats obtenus qui peut permettre aux chercheurs d'optimiser le processus d’obtention de pièces possédant un bon état de surface.
Origine : Version validée par le jury (STAR)