SUPERVISOR
Mohsen Badrosamay,Ehsan Foroozmehr,Mehdi Karevan
محسن بدرسمای (استاد راهنما) احسان فروزمهر (استاد راهنما) مهدی کاروان (استاد مشاور)
STUDENT
Nafiseh Shadvar
نفیسه شادور
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1392
TITLE
Simulation and Experimental Investigation of the Extrusion Process of the ABS Polymer Filament in the Fused Deposition Modelling Additive Manufacturing Process
Fused deposition modelling (FDM) is one of the most practical additive manufacturing methods that produces parts in a layer by layer fusion by melting the polymeric solid filaments. Important parameters in polymer extrusion process in FDM are the entry velocity of the polymer filament into the extruder or entry flow rate, the temperature of the extruder and its geometry dimensions. Changing each one of these parameters affects the behavior of extruded molten polymer. In addition, it affects the final part quality and dimensional accuracy. The diameter of the molten polymer in the output of the extruder nozzle is increased due to the non-Newtonian behavior of the material. This phenomenon is called the die swell. The aim of this project is to investigate the ABS melt flow behavior in the extrusion process by experimental tests, mathematical modelling and finite element simulation. In the experimental tests, the rheological properties and viscosity models of the ABS polymer determined by the capillary rheometer test. Moreover, the die swell and the temperature field of the extruded polymer investigated experimentally. In the mathematical modelling, the effect of changing in the extruder geometry, flow rate and temperature on the extruder pressure drop was studied. In the finite element simulation, the polymer temperature field and the pressure changes distribution in the extruder, the amount of die swell, and the temperature field of extruded polymer were studied by the Ansys-Polyflow software. In this study, the parameters of the nozzle angle and tip diameter were considered at the values of 90 to 180 degrees and 0.2 to 0.5 mm, respectively. Also, the extruder temperature and its motor revolution for flow rate were considered at the values of 220 to 260 and 8 to 40 rpm, respectively. The results showed that by increasing flow rate, the ABS has less chance to reach the desired temperature at the center of the extruder. Moreover, with the angle increase and the tip diameter of the nozzle decrease, the pressure drop increases in the extruder. The nozzle angle of 90 degrees and the nozzle tip diameter of 0.3 mm provide the continuously melt flow in the extruder by a relatively high pressure drop. However, at the nozzle tip diameter of 0.2 mm the extruder pressure increases excessively. Furthermore, the extruder pressure and the die swell of the polymer decrease by rising the temperature and increase by rising the flow rate. The temperature of the extruded polymer at a certain distance from the nozzle has less drop by increasing the flow rate. According to the results of the changes in extruder pressure, die swell, and temperature field, for the hired FDM machine, in order to decrease the die swell, for improvement of the dimensional accuracy, and control the temperature drop of the extruded polymer, for improvement of the part strength, the flow rate of 2.077*10 -9 and the working temperature of 260 are desirable for the extrusion process. Keywords Fused Deposition modelling, Extrusion, ABS polymer, Mathematical modelling, Finite element simulation, Pressure drop, Die swell, Temperature field.
فرآیند ساخت قطعات به روش اکستروژن رشتههای پلیمری با استفاده از حرارت (FDM) یکی از پرکاربردترین روشهای ساخت افزودنی است که از طریق ذوب رشتههای جامد پلیمری، قطعات طراحی شده را به صورت لایهبهلایه میسازد. از جمله پارامترهای مهم در فرآیند اکستروژن پلیمر در FDM، سرعت ورودی رشته پلیمر به داخل اکسترودر یا همان نرخ جریان ورودی، دمای محفظه و ابعاد هندسی اکسترودر میباشد. تغییر هرکدام از این پارامترها بر رفتار پلیمر نیمهمذاب اکسترود شده و در نتیجه بر کیفیت قطعه نهایی و دقت ابعادی آن تاثیر میگذارد. قطر پلیمر مذاب در خروج از نازل اکسترودر به دلیل رفتار غیرنیوتنی آن، افزایش مییابد که به این پدیده تورم قالب گفته میشود. در این تحقیق، هدف مطالعه رفتار جریان مذاب پلیمر ABS در فرآیند اکستروژن در دستگاه FDM، با استفاده از آزمایشهای تجربی، مدلسازی عددی و شبیهسازی المان محدود میباشد. در آزمایشهای تجربی، خواص رئولوژیکی و مدلهای ویسکوزیته پلیمر ABS با استفاده از آزمون کپیلاری رئومتر به دست آمد. همچنین آزمایش تورم قالب و توزیع دمایی پلیمر اکسترود شده صورت گرفت. در مدلسازی عددی با استفاده از معادلات فشار، اثر تغییر پارامترهای هندسه اکسترودر، نرخ جریان و دما بر افت فشار اکسترودر مورد بررسی قرار گرفت. در شبیهسازی المان محدود با استفاده از نرمافزار انسیس پلیفلو، توزیع دمای پلیمر و میزان تغییرات فشار در داخل اکسترودر ، میزان تورم قالب و توزیع دمایی پلیمر اکسترود شده مورد بررسی قرار گرفته است. در این تحقیق، پارامترهای زاویه و قطر نازل به ترتیب در مقادیر 90 تا 180 درجه و 2/0 تا 5/0 میلیمتر متغیر در نظر گرفته شدند. همچنین دمای اکسترودر و دور موتور اکسترودر مربوط به نرخ جریان، در اندازههای 220 تا 260 درجه سانتیگراد و 8 تا 40 دور بر دقیقه در نظر گرفته شدند. نتایج به دست آمده نشان میدهد با افزایش نرخ جریان، در مرکز اکسترودر ABS فرصت کمتری برای رسیدن به دمای موردنظر دارد. همچنین با افزایش زاویه و کاهش قطر نازل، افت فشار داخل اکسترودر افزایش مییابد. زاویه نازل 90 درجه و قطر نازل 3/0 میلیمتر با ایجاد افت فشار نسبتاً بالا، جریان مذاب پیوستهای در اکسترودر ایجاد میکند. در حالی که در قطر نازل 2/0 میلیمتر، فشار اکسترودر بیش از حد افزایش مییابد. با افزایش دما، میزان افت فشار اکسترودر و تورم قالب پلیمر کاهش یافته و با افزایش نرخ جریان، افت فشار و تورم قالب افزایش مییابد. همچنین دمای پلیمر اکسترود شده در یک فاصله مشخص از نازل با افزایش نرخ جریان، افت کمتری دارد. با توجه به نتایج تغییرات فشار اکسترودر، تورم قالب و توزیع دمایی، به منظور کاهش تورم قالب جهت بهبود دقت ابعادی و از طرفی کنترل افت دمای پلیمر اکسترود شده جهت بهبود استحکام قطعه، نرخ جریان 9- 10*077/2 و دمای کاری 260 برای فرآیند اکستروژن دستگاه FDM مطلوب است. کلمات کلیدی: فرآیند FDM، اکستروژن، پلیمر ABS، مدلسازی عددی، شبیهسازی المان محدود، افت فشار، تورم قالب، توزیع دمایی.