Thermal conditions affecting heat transfer in FDM/FFE: a contribution towards the numerical modelling of the process

The performance of parts produced by Free Form Extrusion (FFE), an increasingly popular additive manufacturing technique, depends mainly on their dimensional accuracy, surface quality and mechanical performance. These attributes are strongly influenced by the evolution of the filament temperature and deformation during deposition and solidification. Consequently, the availability of adequate process modelling software would offer a powerful tool to support efficient process set-up and optimisation. This work examines the contribution to the overall heat transfer of various thermal phenomena developing during the manufacturing sequence, including convection and radiation with the environment, conduction with support and between adjacent filaments, radiation between adjacent filaments and convection with entrapped air. The magnitude of the mechanical deformation is also studied. Once this exercise is completed, it is possible to select the material properties, process variables and thermal phenomena that should be taken in for effective numerical modelling of FFE.

Impressão FDM de pares de materiais funcionais

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia de Materiais

Influencia de las condiciones de procesado mediante FDM sobre las propiedades físicas y mecánicas del plástico ABS

El propósito del presente proyecto fue seleccionar la configuración de fabricación de probetas obtenidas mediante el proceso de Modelado por Deposición Fundida (FDM) con el termoplástico acrilonitrilo butadieno estireno (ABS), que optimice las propiedades mecánicas de las probetas y el ahorro de material de apoyo. Se aplicaron técnicas de caracterización física y mecánica y de microscopia electrónica de barrido (SEM). Los resultados indicaron que las probetas verticales presentaron aproximadamente el 6 % de pérdida de material frente cerca de un 40% de las probetas horizontales. La rotura de los cordones se produjo longitudinalmente en el borde de las probetas horizontales mientras que en el borde de las probetas verticales fueron por despegue de los cordones de ABS. La rotura de los cordones en el interior de ambas probetas fue en la dirección de los cordones. ABSTRACT The purpose of this project was to select the manufacture design in test specimens obtained using Fused Deposition Modeling (FDM) with Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS), thus optimizing the mechanical properties of the test specimens and saving the support material. The study was carried out by mean of mechanical and physical characterization techniques as well as Scanning Electron Microscopy (SEM). The results indicated that the horizontal test specimen showed approximately 40% of material loss compared to the vertical test specimen showed a loss 8%. The ABS filament breakage occurred longitudinally on the edge of the horizontal test specimen while the ABS filament breakage was transversely by the separation of the ABS filament on the edge of the vertical tests. The breakage of the filament inside both test specimens was in the direction of the filaments.

High speed and high resolution demodulation system for hybrid WDM/FDM based fiber microstructure sensor network by using Fabry-Perot filter

Hybrid WDM/TDM enabled microstructure based optical fiber sensor network with large capacity is proposed. Assisted by Fabry-Perot filter, the demodulation system with high speed of 500Hz and high wavelength resolution less than 4.91pm is realized. © OSA 2015.

High resolution demodulation platform for large capacity hybrid WDM/FDM microstructures sensing system assisted by tunable FP filter

In this paper we proposed a demodulation scheme based on tunable FP filter for the WDM/FDM sensing system of the microstructure mentioned in the previous work. Simulation is done to prove the feasibility of demodulating the microstructure with the tunable FP filter. The experiments result showed high consistence with the simulation. And with the help of the high speed FPGA module and a high resolution AD/DA card, the system has achieved a very high resolution, up to 2.5 pm, and wavelength ranges 1520nm to 1590 nm.

Análise ao comportamento mecânico de estruturas de suporte produzidas por fdm

A produção aditiva tem vindo a ganhar cada vez mais importância no contexto atual pois, através destes processos, é possível criar protótipos de forma rápida que permitem de forma eficaz a visualização do modelo mas também, nalguns casos, a verificação da funcionalidade do mesmo. Este tipo de fabrico está em ascensão e estão constantemente a serem exploradas novas aplicações. Na produção aditiva, o material de suporte gerado para suportar a construção tem elevada importância no tempo e custo do processo. Neste contexto, torna-se cada vez mais evidente que é necessário entender o comportamento mecânico desta estrutura de modo a tornar o processo mais rápido e com menores custos sem comprometer a resistência das peças produzidas por este. O processo de FDM é um dos processos de produção aditiva que constrói modelos camada a camada a partir de ficheiros CAD que são tratados no software da máquina por forma a dividir o modelo em várias camadas finas que geram várias secções com as geometrias correspondentes. A construção do modelo físico é feita através da extrusão e deposição de polímeros consoante a secção pretendida. O principal objetivo deste trabalho é a caracterização mecânica do material de suporte gerado aquando a construção da peça final pretendida. Foi com este objetivo que foram criados modelos de teste através do processo de FDM para serem submetidos a ensaios de compressão de modo a entender de que forma o material de suporte influencia na resistência final do modelo. Da análise dos dados obtidos é possível concluir que o material de suporte não aumenta a resistência das peças produzidas.

Studio e Realizzazione del Modello RVE (Representative Volume Element) per componenti polimerici realizzati in stampa 3D FDM

A fianco ai metodi più tradizionali, fin ora utilizzati, le tecnologie additive hanno subito negli ultimi anni una notevole evoluzione nella produzione di componenti. Esse permettono un ampio di range di applicazioni utilizzando materiali differenti in base al settore di applicazione. In particolare, la stampa 3D FDM (Fused Deposition Modeling) rappresenta uno dei processi tecnologici additivi più diffusi ed economicamente più competitivi. Gli attuali metodi di analisi agli elementi finiti (FEM) e le tecnologie CAE (Computer-Aided Engineering) non sono in grado di studiare modelli 3D di componenti stampati, dal momento che il risultato finale dipende dai parametri di processo e ambientali. Per questo motivo, è necessario uno studio approfondito della meso struttura del componente stampato per estendere l’analisi FEM anche a questa tipologia di componenti. Lo scopo del lavoro proposto è di creare un elemento omogeneo che rappresenti accuratamente il comportamento di un componente realizzato in stampa 3D FDM, questo avviene attraverso la definizione e l’analisi di un volume rappresentativo (RVE). Attraverso la tecnica dell’omogeneizzazione, il volume definito riassume le principali caratteristiche meccaniche della struttura stampata, permettendo nuove analisi e ottimizzazioni. Questo approccio permette di realizzare delle analisi FEM sui componenti da stampare e di predire le proprietà meccaniche dei componenti a partire da determinati parametri di stampa, permettendo così alla tecnologia FDM di diventare sempre di più uno dei principali processi industriali a basso costo.

Studio e analisi termo-strutturale di modelli stampati 3D FDM per materiali polimerici

A fianco ai metodi più tradizionali, fin ora utilizzati, le tecnologie additive hanno subito negli ultimi anni una notevole evoluzione nella produzione di componenti. Esse permettono un ampio di range di applicazioni utilizzando materiali differenti in base al settore di applicazione. In particolare, la stampa 3D FDM (Fused Deposition Modeling) rappresenta uno dei processi tecnologici additivi più diffusi ed economicamente più competitivi. Le tempistiche e le richieste industriali obbligano sempre di più i progettisti ad uno studio predittivo delle problematiche che si possono incontrare in fare produttiva. In ambito strutturale questo è già da diversi anni la norma per componenti realizzati con tecnologia tradizionale. In ambito termico, invece, si procede ancora troppo spesso per tentativi seguendo l’esperienza del singolo. Per questo motivo, è necessario uno studio approfondito e un metodo per caratterizzare i transitori termici. Per fare ciò è necessario introdurre un modello semplificativo attraverso l’uso su un provino cilindrico. Questa semplice geometria permette di mettere in relazione la soluzione analitica, la soluzione approssimata agli elementi finiti e la soluzione sperimentale. Una volta ottenuti questi risultati sarà poi possibile, mantenendo invariati il ciclo termico e le caratteristiche termo-strutturali del materiale, modificare a piacimento la geometria per analizzare un qualsiasi componente. Questo approccio permette quindi di realizzare delle analisi FEM sui componenti da stampare e di predirne i gradienti termici e le deformazioni a partire dalle caratteristiche del materiale, della geometria e del ciclo termico a cui sono sottoposti. Permettendo così di valutare in modo preventivo e predittivo problematiche di stabilità geometrica e strutturale.

Studio e design di una molla elicoidale in materiale composito utilizzando tecnologie FDM

Al giorno d'oggi le molle in commercio più utilizzate sono sicuramente quelle in acciaio, ciò è dovuto al fatto che la loro realizzazione è sicuramente la più semplice, in quanto si può automatizzare, ed economica. In applicazioni speciali però non ci si limita al solo utilizzo di molle in acciaio ma da tempo si sono trovate soluzioni alternative quali per esempio le molle in titanio che permettono di avere una riduzione di peso notevole a parità di caratteristiche meccaniche con il particolare svantaggio del costo molto elevato che richiedono per la loro realizzazione. Negli ultimi anni però, sopratutto nell'ambito dei veicoli leggeri, si è cercato di creare molle ancora più leggere utilizzando materiali composito: ciò si è reso necessario, ad esempio nel caso dell'automotive, in quanto la riduzione di peso dei componenti utilizzati genera un effetto benefico sui consumi delle vetture e quindi anche sulle loro emissioni, fattore che sta diventando sempre più importante in virtù delle politiche addottate atte alla riduzione di inquinanti emessi in atmosfera. Le molle in composito più utilizzate sono sicuramente quelle in fibra di vetro, più semplici da realizzare ma diversi studi dimostrano come la fibra di carbonio sia più efficiente dal punto di vista delle proprietà meccaniche. In questo elaborato quindi si va a studiare una soluzione alternativa alle molle in acciaio tradizionali e alle molle in titanio andando a studiare una molla in composito con fibra di carbonio, partendo dal dimensionamento della stessa fino a proporre un metodo di realizzazione della stessa.

Effects of croton urucurana extracts and crude resin on Anagasta kuehniella (Lepidoptera: Pyralidae)

Hundreds of plant species have been studied in order to find out the active ingredient responsible for their insecticidal activity against the pests of economic importance. To verify the insecticidal activity in the husk of stem of Croton urucurana Baillon 1864 (Euphorbiaceae) against Anagasta kuehniella Zeller 1879 (Lepidoptera: Pyralidae), the methanolic (EMeOH) extract, dichloromethane fraction (FDM), ethyl acetate fraction (FAE) and crude resin, incorporated into an artificial diet were evaluated. EMeOH (0.5, 1.0 and 2.0%) and crude resin (2.0%) interfered with neither the weight nor the survival of fourth instar larvae and other analyzed parameters. FDM (2.0%) fraction caused mortality of 65%, and the artificial diet containing 2.0, 1.0 and 0.5% FAE caused 100, 55 and 68% mortality respectively when compared with the control, confirming the least efficiency rates of food conversion for FDM(2.0%) and FAE(1.0%). The tryptic analysis performed with the midgut fluid of fourth-instar larvae demonstrated that tryptic and chymiotryptic activities for the larvae fed artificial diet containing EMeOH and crude resin were not different.

a-SiC : H anti-resonant layer ARROW waveguides

Over the last decades, anti-resonant reflecting optical waveguides (ARROW) have been used in different integrated optics applications. In this type of waveguide, light confinement is partially achieved through an anti-resonant reflection. In this work, the simulation, fabrication and characterization of ARROW waveguides using dielectric films deposited by a plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) technique, at low temperatures(similar to 300 degrees C), are presented. Silicon oxynitride (SiO(x)N(y)) films were used as core and second cladding layers and amorphous hydrogenated silicon carbide(a-SiC:H) films as first cladding layer. Furthermore, numerical simulations were performed using homemade routines based on two computational methods: the transfer matrix method (TMM) for the determination of the optimum thickness of the Fabry-Perot layers; and the non-uniform finite difference method (NU-FDM) for 2D design and determination of the maximum width that yields single-mode operation. The utilization of a silicon carbide anti-resonant layer resulted in low optical attenuations, which is due to the high refractive index difference between the core and this layer. Finally, for comparison purposes, optical waveguides using titanium oxide (TiO(2)) as the first ARROW layer were also fabricated and characterized.

Modelling of microstructure formation and evolution during solidification

A comprehensive probabilistic model for simulating microstructure formation and evolution during solidification has been developed, based on coupling a Finite Differential Method (FDM) for macroscopic modelling of heat diffusion to a modified Cellular Automaton (mCA) for microscopic modelling of nucleation, growth of microstructures and solute diffusion. The mCA model is similar to Nastac's model for handling solute redistribution in the liquid and solid phases, curvature and growth anisotropy, but differs in the treatment of nucleation and growth. The aim is to improve understanding of the relationship between the solidification conditions and microstructure formation and evolution. A numerical algorithm used for FDM and mCA was developed. At each coarse scale, temperatures at FDM nodes were calculated while nucleation-growth simulation was done at a finer scale, with the temperature at the cell locations being interpolated from those at the coarser volumes. This model takes account of thermal, curvature and solute diffusion effects. Therefore, it can not only simulate microstructures of alloys both on the scale of grain size (macroscopic level) and the dendrite tip length (mesoscopic level), but also investigate nucleation mechanisms and growth kinetics of alloys solidified with various solute concentrations and solidification morphologies. The calculated results are compared with values of grain sizes and solidification morphologies of microstructures obtained from a set of casting experiments of Al-Si alloys in graphite crucibles.

Research on evaluation system of emergency disposal plan for power plant incidents

This paper starts with the analysis of the unusual inherence mechanism, from two aspects: accumulating and human error. We put forward twelve factors affected the decision of the emergency treatment plan in practice and summarized the evaluation index system combining with literature data. Then we screened out eighteen representative indicators by used the FDM expert questionnaire in the first phase. Hereafter, we calculated the weight of evaluation index and sorted them by the FAHP expert questionnaire, and came up with the frame of the evaluation rule by combined with the experience. In the end, the evaluation principles are concluded.

Fused deposition modeling with polypropylene

This paper addresses the potential of polypropylene (PP) as a candidate for fused deposition modeling (FDM)-based 3D printing technique. The entire filament production chain is evaluated, starting with the PP pellets, filament production by extrusion and test samples printing. This strategy enables a true comparison between parts printed with parts manufactured by compression molding, using the same grade of raw material. Printed samples were mechanically characterized and the influence of filament orientation, layer thickness, infill degree and material was assessed. Regarding the latter, two grades of PP were evaluated: a glass-fiber reinforced and a neat, non-reinforced, one. The results showed the potential of the FDM to compete with conventional techniques, especially for the production of small series of parts/components; also, it was showed that this technique allows the production of parts with adequate mechanical performance and, therefore, does not need to be restricted to the production of mockups and prototypes.