Thermohydraulic analysis of thermoplastic materials flow through the nozzle during 3D printing using numerical methods

Καραμπασάκης, Εμμανουήλ; Karampasakis, Emmanoyil

dc.contributor.author	Καραμπασάκης, Εμμανουήλ	el
dc.contributor.author	Karampasakis, Emmanoyil	en
dc.date.accessioned	2024-02-09T08:36:55Z
dc.date.available	2024-02-09T08:36:55Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/58814
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.26510
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	Thermohydraulic Analysis	en
dc.subject	Thermoplastic Materials	en
dc.subject	Nozzle Modeling	en
dc.subject	3D Printing	en
dc.subject	Numerical Methods	en
dc.subject	Θερμοϋδραυλική Ανάλυση	el
dc.subject	Θερμοπλαστικά Πολυμερή Υλικά	el
dc.subject	Μοντέλο Ακροφυσίου	el
dc.subject	Τρισδιάστατη Εκτύπωση	el
dc.subject	Αριθμητικές Μέθοδοι	el
dc.title	Thermohydraulic analysis of thermoplastic materials flow through the nozzle during 3D printing using numerical methods	en
dc.title	Θερμοϋδραυλική ανάλυση της ροής, μέσω χρήσης αριθμητικών μεθόδων, θερμοπλαστικού υλικού εντός του ακροφυσίου κατά την τρισδιάστατη εκτύπωση	el
heal.type	bachelorThesis
heal.generalDescription	Η παρούσα διπλωματική εργασία διεξήχθη στο τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου (ΕΜΠ) στα πλαίσια του τελευταίου (10ου) εξαμήνου για την εκπλήρωση του ακαδημαϊκού προγράμματος σπουδών κατά το έτος 2023. Αποτελεί πεδίο έρευνας σε μία από τις πιο ευρέως χρησιμοποιούμενες τεχνικές προσθετικών κατασκευών, την FFF (Fuse Filament Fabrication). Τα τελευταία χρόνια υπήρξαν μάρτυρας της αναγέννησης του ερευνητικού ενδιαφέροντος για τη μέθοδο αυτή, η οποία έχει κερδίσει έδαφος σχεδόν σε κάθε βιομηχανικό κλάδο, κυρίως λόγω της ραγδαίας προόδου στη δημιουργία εξαρτημάτων υψηλής απόδοσης και βιομηχανικής ποιότητας, Έχουν γίνει σημαντικές προσπάθειες για τη μοντελοποίηση της διαδικασίας FFF προκειμένου να κατανοηθούν οι υποκείμενοι μηχανισμοί που συμβάλλουν στην παραγωγή τεμαχίων επιθυμητών μηχανικών χαρακτηριστικών. Η εκπονούμενη μελέτη λαμβάνει υπόψη τις τρέχουσες αναλυτικές και αριθμητικές μεθόδους για τη μοντελοποίηση της ροής ενός τήγματος πολυμερούς στην εξώθηση και στοχεύει στη δημιουργία ενός μοντέλου που προσομοιώνει με ικανοποιητική ακρίβεια τα ρεολογικά χαρακτηριστικά των πιο διαδεδομένων θερμοπλαστικών υλικών κατά την εξώθηση, η κατανόηση των οποίων είναι κρίσιμη για τη διαδικασία της εναπόθεσης του υλικού και της ποιότητάς του.	el
heal.classification	Mechanical Engineering	en
heal.classification	Materials Science and Engineering	en
heal.classification	Computational Fluid Dynamics (CFD)	en
heal.classification	Additive Manufacturing	en
heal.classification	Numerical Methods and Simulation	en
heal.classification	Thermodynamics and Heat Transfer	en
heal.classification	Polymer Science and Engineering	en
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2023-10-13
heal.abstract	Η τρέχουσα διπλωματική εργασία συνιστά πεδίο έρευνας σε μία από τις πιο ευρέως χρησιμοποιούμενες τεχνικές προσθετικών κατασκευών, την Κατασκευή Συντηγμένου Νήματος ή FFF (Fuse Filament Fabrication). Πραγματεύεται την ανάλυση των ρεολογικών χαρακτηριστικών ενός τήγματος πολυμερούς στον υγροποιητή ενός εμπορικού τρισδιάστατου εκτυπωτή, τα οποία επιδρούν στην ποιότητα, την ακρίβεια και την επαναληψιμότητα του τελικού αντικειμένου. Εντός της παρούσας μελέτης γίνεται μια ανασκόπηση των σημαντικότερων αναλυτικών και αριθμητικών μοντέλων που έχουν αναπτυχθεί για το συντηγμένο τμήμα της ροής του πολυμερούς στο στάδιο που βρίσκεται εντός του υγροποιητή πριν την εναπόθεση στην τράπεζα. Κατόπιν ενδελεχούς εξέτασης των παραπάνω, κατασκευάζεται ένα αριθμητικό μοντέλο προσομοίωσης με χρήση πεπερασμένων στοιχείων αξιοποιώντας το εμπορικό πακέτο COMSOL Multiphysics. Το μοντέλο αυτό λαμβάνει υπόψη ότι η ροή είναι μη ισοθερμοκρασιακή και το ρευστό μη νευτώνειο, επομένως το ιξώδες επηρεάζεται από τη θερμοκρασία και το ρυθμό διάτμησης, από τα οποία εξαρτάται η δύναμη εξώθησης. Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται μέσω της κατανομής (προφίλ) πίεσης, ταχύτητας και θερμοκρασίας κατά μήκος του καναλιού ροής. Για την περεταίρω διερεύνηση, πραγματοποιείται παραμετρική επίλυση σε δύο εμπορικά ακροφύσια διαφορετικού μήκους για διαφορετικούς ογκομετρικούς ρυθμούς ροής και θερμοκρασίες θερμαντήρα ακροφυσίου, εντός κατάλληλου εύρους, για καθέναν εκ των οποίων υπολογίζεται αναλυτικά η απαιτούμενη δύναμη εξώθησης. Η επικύρωση των αποτελεσμάτων γίνεται μέσω σύγκρισης με πειραματικά δεδομένα από τη βιβλιογραφία για αντίστοιχη γεωμετρία υγροποιητή και υλικό εκτύπωσης.	el
heal.abstract	The current thesis focuses on a field of research within one of the most widely used additive manufacturing techniques known as Fuse Filament Fabrication (FFF). It aims to analyze the rheological characteristics of a polymer melt in the liquefier of a commercial 3D printer, as these characteristics have a direct impact on the quality, accuracy, and repeatability of the printed object. Within this study, an extensive review is conducted on the most significant analytical and numerical models that have been developed for the molten phase of the polymer flow inside the liquefier prior to deposition. After a thorough examination of the aforementioned models, a finite element numerical simulation model is constructed using the commercial software package COMSOL Multiphysics. This model takes into consideration the non-isothermal nature of the flow and the non-Newtonian behavior of the fluid. Consequently, the viscosity is influenced by both temperature and shear rate, which are key factors affecting the extrusion force. The results are presented as the profile of pressure drop, velocity and temperature along the flow channel. To further investigate the system, a parametric analysis is performed on two commercial nozzles of different lengths for different volumetric flow rates and nozzle heater temperatures, within an appropriate range. For each case, the required extrusion force is calculated analytically. The obtained results are then validated by comparing them with experimental data from the literature, specifically considering the corresponding liquefier geometry and print material.	en
heal.advisorName	Άγγελος, Μαρκόπουλος	el
heal.advisorName	Aggelos, Markopoulos	en
heal.committeeMemberName	Βοσνιάκος, Γεώργιος - Χριστόφορος	el
heal.committeeMemberName	Vosniakos, Georgios - Xristoforos	en
heal.committeeMemberName	Μαρκόπουλο, Άγγελος	el
heal.committeeMemberName	Markopoulos, Aggelos	en
heal.committeeMemberName	Μπενάρδος, Πανώριος	el
heal.committeeMemberName	Mpenardos, Panwrios	en
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Τεχνολογίας των Κατεργασιών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	106 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false