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Design, analysis, and simulation of 3D-printed structures from filament-based thermoplastic polymers and their composites
Özen, Arda
Additive manufacturing took great attention due to its significant advantages in the recent past. Fused deposition modeling (FDM) is a cost-effective and promising additive manufacturing technique based on materials extrusion. In FDM, the final products are created layer by layer, which provides high design flexibility. Depending on the equipment limitations and resolution, any shape can be created. The design freedom of FDM also allows tuning the mechanical properties of the products by manipulating their structures in different length scales. However, the properties of FDM printed parts heavily depend on the process parameters. In order to develop desired properties, the effects of the FDM process on the final products are needed to be investigated. Moreover, the layerwise manufacturing process creates anisotropic inner structures and makes the characterization of FDM printed specimens challenging.
In this dissertation, the process-structure-property relationship and the tailored material behavior of FDM printed polymers and polymer composites are tried to be investigated. In order to achieve reliable mechanical test results, the existing test standards were reviewed, and the tensile test geometries were examined. Slicing strategies were developed for eliminating the process-related problems. Uniaxial tensile tests were carried out using mechanical, laser, and camera extensometers on the FDM printed specimens. An open-source 2D-digital image correlation program was employed for analyzing the deformations. The micro-and mesostructures were examined by optical- and scanning electron microscopy (SEM) as well as energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) methods. A 2D-digital-image-correlation code with a machine learning algorithm was developed in order to quantify the porosity and to examine the inner structural features such as contact lines between adjacent layers and the geometry of solidified polymer structures depending on various parameters. In this way, the influences of various process parameters on the inner structures were investigated. By integrating these features, CAD models were designed, and digital twins of laboratory characterizations were generated by the FEM simulations. Computational and asymptotic homogenization methods were employed in order to obtain the effective properties of FDM printed parts in different length scales. The simulations were validated by experimental test results.
In order to achieve tailored mechanical properties at the macroscale, polyethylene terephthalate glycol (PETG) metamaterials with pantographic substructures (PS) were FDM printed by manipulating their macrostructural (pantographic) features. Additionally, PETG and copper particles reinforced polylactic acid (PLA) samples were FDM printed with different process parameters in order to generate desired properties at the macroscale by altering the mesostructure. Afterward, the effect of various microstructural features, namely, fiber orientations along the different axis, fiber length, and fiber volume ratio on the tensile properties of FDM printed carbon fiber reinforced PETG were simulated. Eventually, reliable mechanical test results were achieved by optimizing the slicing methods and examining the test geometries. The dependencies of the inner structures on the process parameters were demonstrated. Finally, the mechanical responses of FDM printed parts were presented by altering their inner structures of different length scales.
In der jüngeren Vergangenheit hat die additive Fertigung aufgrund ihrer erheblichen Vorteile große Aufmerksamkeit erfahren. Fused Deposition Modeling (FDM) ist eine kostengünstige und vielversprechende additive Fertigungstechnik, die auf der Materialextrusion basiert. Beim FDM werden die Endprodukte Schicht für Schicht erstellt, was eine hohe Designflexibilität bietet. Abhängig von den Gerätebeschränkungen und der Auflösung kann jede beliebige Form erstellt werden. Die Designfreiheit von FDM ermöglicht auch die Abstimmung der mechanischen Eigenschaften der Produkte durch Manipulation ihrer Strukturen in verschiedenen Längenskalen. Allerdings, die Eigenschaften von FDM-gedruckten Teilen hängen jedoch stark von den Prozessparametern ab. Um gewünschte Eigenschaften zu entwickeln, müssen die Auswirkungen des FDM-Prozesses auf die Endprodukte untersucht werden. Darüber hinaus erzeugt der schichtweise Herstellungsprozess anisotrope innere Strukturen und erschwert die Charakterisierung von FDM-gedruckten Proben.
In dieser Dissertation wird versucht, die Prozess-Struktur-Eigenschaft-Beziehung und das maßgeschneiderte Materialverhalten von FDM-gedruckten Polymeren und Polymerverbundwerkstoffen zu untersuchen. Um zu verlässlichen mechanischen Prüfergebnissen zu gelangen, wurden die bestehenden Prüfnormen überprüft und die Zugversuchsgeometrien untersucht. Zur Beseitigung der prozessbedingten Probleme wurden Slicing-Strategien entwickelt. An den FDM-gedruckten Proben wurden uniaxiale Zugversuche mit mechanischen, Laser- und Kamera-Extensometern durchgeführt. Zur Analyse der Verformungen wurde ein Open-Source-2D-Digitale Bildkorrelationsprogramm verwendet. Die Mikro- und Mesostrukturen wurden durch optischer und rasterelektronenmikroskopischer (SEM) sowie energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDS)-Methoden analysiert. Ein 2D-Digitalbild-Korrelationscode mit einem maschinellen Lernalgorithmus wurde entwickelt, um die Porosität zu quantifizieren und die inneren Strukturmerkmale wie Kontaktlinien zwischen benachbarten Schichten und die Geometrie verfestigter Polymerstrukturen in Abhängigkeit von verschiedenen Parametern zu untersuchen. Auf diese Weise wurde der Einfluss verschiedener Prozessparameter auf die inneren Strukturen untersucht. Durch die Integration dieser Funktionen wurden CAD-Bilder entworfen und digitale Zwillinge von Laborcharakterisierungen durch die FEM-Simulationen generiert. Rechnerische und asymptotische Homogenisierungsmethoden wurden eingesetzt, um die effektiven Eigenschaften von FDM-gedruckten Teilen in verschiedenen Längenskalen zu erhalten. Die Simulationen wurden durch experimentelle Testergebnisse validiert. Um maßgeschneiderte mechanische Eigenschaften auf der Makroskala zu erreichen, wurden Poly(ethylenterephthalat)glykol (PETG)-Metamaterialien mit pantografischen Unterstrukturen (PS) FDM-gedruckt, indem ihre makrostrukturellen (pantografischen) Merkmale manipuliert wurden. Zusätzlich wurden PETG und Kupferpartikeln verstärkte Polylactic acid (PLA)-Proben mit unterschiedlichen Prozessparametern FDM-gedruckt, um die gewünschten Eigenschaften auf Makroskala durch Veränderung der Mesostruktur zu erzeugen. Anschließend wurde die Auswirkung verschiedener mikrostruktureller Merkmale, nämlich Faserorientierungen entlang der verschiedenen Achsen, Faserlänge und Faservolumenverhältnis auf die Zugeigenschaften von FDM-gedrucktem kohlefaserverstärktem PETG simuliert.
Letztendlich, durch die Optimierung der Slicingsmethode und die Untersuchung der Prüfgeometrien wurden sichere mechanische Prüfergebnisse erzielt. Die Abhängigkeit der inneren Strukturen auf den Prozessparametern wurde demonstriert. Schließlich wurden die mechanischen Eigenschaften von FDM-gedruckten Teilen präsentiert, indem ihre inneren Strukturen auf unterschiedlichen Längenskalen verändert wurden.
