Μοντελοποίηση του φαινομένου αλλαγής φάσης υλικού κατά την διεργασία της τρισδιάστατης εκτύπωσης με τη μέθοδο FDM

Βαγγελάτος, Σοφοκλής; Vangelatos, Sofoklis

dc.contributor.author	Βαγγελάτος, Σοφοκλής	el
dc.contributor.author	Vangelatos, Sofoklis	en
dc.date.accessioned	2021-12-14T09:16:19Z
dc.date.available	2021-12-14T09:16:19Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/54165
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.21863
dc.description	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) “Συστήματα Αυτοματισμού”
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	3D-Printing	en
dc.subject	FDM	en
dc.subject	Μοντελοποίηση	el
dc.subject	Αλλαγή φάσης	el
dc.subject	Τρισδιάστατη εκτύπωση	el
dc.title	Μοντελοποίηση του φαινομένου αλλαγής φάσης υλικού κατά την διεργασία της τρισδιάστατης εκτύπωσης με τη μέθοδο FDM	el
heal.type	masterThesis
heal.classification	Αντίστροφο Μηχανολογικό Σχεδιασμό	el
heal.classification	Μηχανική	el
heal.classification	Επιστήμη των υλικών	el
heal.language	el
heal.access	campus
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2021-09-29
heal.abstract	Η παρούσα διπλωματική εργασία εστιάζει και αναλύει ένα μοντέλο προσομοίωσης της αλλαγής φάσης που υφίσταται ένα υλικό, όταν αυτό εναποτίθεται σε μία επιφάνεια κατά την διάρκεια της διεργασίας της προσθετικής κατασκευής και συγκεκριμένα, της τρισδιάστατης εκτύπωσης με εναπόθεση τηγμένου υλικού (FDM). Επιπλέον, μελετώνται οι θερμικές τάσεις που ασκούνται στην τελική κατασκευή και οφείλονται στις θερμοκρασιακές μεταβολές που υφίσταται το υλικό, οι οποίες επιδρούν στις διαστασιολογικές ιδιότητες αυτού. Σκοπός είναι να προσδιοριστεί το προφίλ των τάσεων που ασκούνται ως προς μία συγκεκριμένη διεύθυνση του δοκιμίου, όταν έχει εναποτεθεί πάνω στην επιφάνεια, ανάλογα με τις συνθήκες και το υλικό που έχει χρησιμοποιηθεί. Το μοντέλο αυτό αξιοποιήθηκε για την προσομοίωση του φαινομένου σε διαφορετικές συνθήκες θερμοκρασίας που πραγματοποιείται η αλλαγή φάσης του υλικού που εκτυπώνεται, του θερμαινόμενου δαπέδου, καθώς και των διαστάσεων του δοκιμίου, ενώ οι συνθήκες του περιβάλλοντος παραμένουν σταθερές. Παράλληλα, μεταβάλλεται ο χρόνος περάτωσης της διεργασίας, προκειμένου να διερευνηθεί σε κάθε σενάριο το ποσό της θερμότητας που έχει απομακρυνθεί από το υλικό, από τη στιγμή που αυτό ξεκινά να ψύχεται πάνω στην επιφάνεια, καθώς και το βήμα χρόνου της προσομοίωσης προκειμένου να προσδιοριστεί ποιο είναι το βέλτιστο, για να επιτυγχάνονται οι απαραίτητοι υπολογισμοί. Σε ένα θεωρητικό επίπεδο, γίνεται μία ανασκόπηση των μεθόδων προσθετικής κατασκευής, οι οποίες έχουν εδραιωθεί και χρησιμοποιηθεί με την πάροδο του χρόνου και την εξέλιξη της τεχνολογίας, από την εμφάνιση της πρώτης τεχνολογίας το 1987 σε ευρεία εμπορική κλίμακα. Εμβαθύνεται δε, η μέθοδος της εναπόθεσης τηγμένου υλικού (Fused Deposition Method – FDM) η οποία είναι η μέθοδος που παρουσιάζεται στην παρούσα εργασία και είναι η εργαστηριακά διαθέσιμη για να μελετηθεί προκειμένου να αξιοποιηθεί στο μοντέλο της προσομοίωσης. Παράλληλα, παρουσιάζονται οι θερμοδυναμικές ιδιότητες του συμπολυμερούς που αποτελείται από ακρυλονιτρίλιο, βουταδιένιο και στυρένιο (ABS), το πολυγαλακτικό οξύ (PLA) και το τερεφθαλικό πολυαιθυλένιο (PET), προκειμένου να αποσαφηνιστεί και να επιβεβαιωθεί ο ρόλος και τα χαρακτηριστικά του καθενός σαν πρώτη ύλη τρισδιάστατης εκτύπωσης. Επιπλέον, γίνεται αναφορά στους γνωστούς μηχανισμούς μεταφοράς θερμότητας, στους οποίους περιλαμβάνονται η αγωγή, η συναγωγή και η ακτινοβολία, μέσω των οποίων γίνεται η ανταλλαγή θερμότητας ανάμεσα στο τηγμένο υλικό και στον περιβάλλοντα χώρο. Η βάση του μοντέλου της προσομοίωσης είναι οι εξισώσεις των μηχανισμών μεταφοράς θερμότητας και τα ισοζύγια ενέργειας τα οποία συνδυάζονται με αυτές. Τα αποτελέσματα που προκύπτουν, αξιοποιούνται στις σχέσεις υπολογισμού των τάσεων που αναπτύσσονται στην κατασκευή, προκειμένου να προσδιοριστεί το μέτρο και η επίδραση τους. Τα ισοζύγια θερμότητας είναι εκείνα μέσω των οποίων υπολογίζονται τα ποσά της θερμότητας που μεταφέρονται σε κάθε χρονική στιγμή από το υλικό προς το περιβάλλον. Η κατάστρωσή τους πραγματοποιήθηκε για γεωμετρία δύο (2) και τριών (3) διαστάσεων, ενώ συμπεριλήφθηκαν όλες οι θερμοδυναμικές παράμετροι που εξαρτώνται από την θερμοκρασία, προκειμένου να αντιστοιχούν σε όσο το δυνατόν πιο ρεαλιστικό σενάριο του φαινομένου. Παράλληλα, παρόμοια μεθοδολογία ακολουθήθηκε για το σχηματισμό των εξισώσεων που αφορούν τον υπολογισμό των τάσεων, αφού και σε αυτές περιλαμβάνονται μεταβλητές οι οποίες σχετίζονται με την φύση του τηγμένου υλικού και εξαρτώνται άμεσα από την θερμοκρασία. Στόχος της μοντελοποίησης είναι η περιγραφή του φαινομένου μέσω εξισώσεων από την σκοπιά της θερμοδυναμικής σε συνδυασμό με τα φαινόμενα μεταφοράς, διερευνώντας τους παράγοντες που επιδρούν και επηρεάζουν την αλλαγή φάσης του υλικού από υγρό σε στερεό. Σε ένα επόμενο στάδιο, μελετάται η επίδραση που έχει το φαινόμενο στην διαστασιολογική ακρίβεια της τελικής κατασκευής, δηλαδή τόσο ως προς την γεωμετρία όσο και προς τις διαστάσεις. Για το λόγο, διεξάγονται πειράματα προκειμένου να ερευνηθεί ποιοι από τους παράγοντες επιδρούν με μεγαλύτερη βαρύτητα στην διεργασία. Τέλος, η μοντελοποίηση πραγματοποιείται με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων και όγκων, ενώ τα αποτελέσματα που προκύπτουν από την προσομοίωση συγκρίνονται με τα αντίστοιχα των αναλυτικών λύσεων, ούτως ώστε να διερευνηθεί η ορθότητά τους. Τέλος, πραγματοποιούνται δύο (2) πειραματικές διαδικασίες με σκοπό την επαλήθευση των δεδομένων που αξιοποιούνται στο μοντέλο προσομοίωσης, καθώς και των αποτελεσμάτων που προκύπτουν από αυτό.Αρχικά, επαληθεύεται η τιμή της θερμοκρασίας υαλώδους μετάπτωσης των υλικών μέσω της διαφορικής θερμιδομετρίας σάρωσης (DSC), καθώς και άλλα αξιοσημείωτα ενδόθερμα ή εξώθερμα φαινόμενα που λαμβάνουν χώρα, όπως είναι για παράδειγμα η ψυχρή κρυστάλλωση. Παράλληλα, τα αποτελέσματα που προκύπτουν από τις προσομοιώσεις έχουν σαν σκοπό να επαληθεύσουν τους εκτυπωμένους κυλίνδρους διαφόρων διαστάσεων, με το υλικό που χρησιμοποιήθηκε να είναι το PLA. Συγκεκριμένα, κατασκευάζονται τέσσερις (4) κύλινδροι με διάμετρο τέσσερα (4), οχτώ (8), δέκα (10) και δεκαπέντε (15) χιλιοστά αντίστοιχα ο καθένας. Το ύψος όλων είναι στα δώδεκα (12) εκατοστά, ενώ ο χρόνος που έχουν εναποτεθεί στην επιφάνεια ποικίλει και για τον καθένα από τους κυλίνδρους είναι στα πέντε (5), δεκαέξι (16), δεκαεπτά (17) και τριάντα (30) λεπτά αντίστοιχα για τον καθένα με τις παραπάνω διαμέτρους. Σημειώνεται ότι όλες οι παραπάνω γεωμετρίες με ποικίλους συνδυασμούς αριθμού πεπερασμένων στοιχείων και χρονικού βήματος της προσομοίωσης, προκειμένου να εξαχθούν αποτελέσματα τα οποία αντιπροσωπεύουν όσο το δυνατόν το πραγματικό φαινόμενο της ψύξης της γεωμετρίας πάνω στην επιφάνεια που έχει εναποτεθεί. Με αυτό τον τρόπο, θα αποσαφηνιστεί κατά πόσο ο χρόνος εκτύπωσης και οι διαστάσεις επηρεάζουν την κυλινδρικότητα και το σχήμα της γεωμετρίας που προκύπτει μέσω της εναπόθεσης υλικού.	el
heal.advisorName	Σπιτάς, Βασίλειος	el
heal.committeeMemberName	Σπιτάς, Βασίλειος	el
heal.committeeMemberName	Μαρκόπουλος, Άγγελος	el
heal.committeeMemberName	Σολδάτος, Αργύρης	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	131 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false