Ποιοτική διερεύνηση (βελτιστοποίηση - μοντελοποίηση) παραμέτρων της τρισδιάστατης εκτύπωσης πολυμερών υλικών για την παραγωγή λεπτότοιχων φυσικών πρωτοτύπων με εφαρμογή στο σχεδιασμό και την κατασκευή διακοσμητικών αντικειμένων εσωτερικού χώρου
Authors: Χαϊδάς Δημήτριος 
Published: August 2023

Η διαδικασία παραγωγής πρωτοτύπων με τη μέθοδο εξώθησης συντηγμένου νήματος (FFF) αποτελεί μια πολλά υποσχόμενη τεχνική διότι κατασκευάζονται εξαρτήματα μικρής αλλά και μεγάλης πολυπλοκότητας με ιδιαίτερα χαμηλό κόστος. Στη μέθοδο αυτή χρησιμοποιούνται συνήθως θερμοπλαστικά ως πρώτες ύλες και παράγονται αντικείμενα όπου κατασκευάζονται στρώση στρώση. Η πρώτη ύλη βρίσκεται σε στερεή κατάσταση, σε μορφή νήματος, όπου με τη χρήση μηχανισμών εξώθησης και σε συνδυασμό με τις υψηλές θερμοκρασίες λιώνει και δημιουργείται η επιθυμητή εναπόθεση σε σημεία όπου καθορίζει η κίνηση της κεφαλής. Οι συντεταγμένες σε X, Y και Ζ άξονες όπου κινείται η κεφαλή του μηχανήματος προέρχονται από κώδικα που δημιουργείται όταν εισαχθεί το ψηφιακό μοντέλο, που έχει σχεδιαστεί σε λογισμικό CAD (Computer Aided Design), στο λογισμικό που συνεργάζεται το μηχάνημα προσθετικής κατασκευής. Ο χρήστης του μηχανήματος έχει τη δυνατότητα να ρυθμίζει μέσω προγράμματος μεγάλη ποικιλία παραμέτρων που επηρεάζουν την προσθετική διαδικασία. Από τις πιο σημαντικές παραμέτρους που συναντάμε κατά την τρισδιάστατη εκτύπωση είναι η ταχύτητα, η θερμοκρασία, το πάχος της κάθε στρώσης του αντικειμένου και το εσωτερικό του γέμισμα. Οι τιμές των παραμέτρων μπορεί να είναι διαφορετικές όταν πρόκειται να χρησιμοποιηθούν διαφορετικοί τύποι θερμοπλαστικών αλλά και διαφορετικά τύπου μηχανήματα με τη μέθοδο της εξώθησης συντηγμένου νήματος. Η ποιότητα των αντικειμένων που παράγονται κατά την προσθετική κατασκευή εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τις τιμές των παραμέτρων που θα ορίσει ο χρήστης. Η διαστατική ακρίβεια των μοντέλων αλλά και η τραχύτητα της επιφάνειάς τους αποτελεί δυο πολύ σημαντικούς δείκτες που μπορούν να χαρακτηρίσουν την ποιότητα. Η επιλογή υψηλών τιμών πάχους στρώσης για το αντικείμενο που παράγεται οδηγεί σε μεγάλες αποκλίσεις από τις ονομαστικές του διαστάσεις και δημιουργεί ιδιαίτερα τραχείες επιφάνειες. Υψηλές ταχύτητες κατά την τρισδιάστατη εκτύπωση οδηγούν επίσης σε ανεπιθύμητα αποτελέσματα καθώς δεν επιτυγχάνεται σωστά η εναπόθεση της κάθε στρώσης. Στην παρούσα διατριβή γίνεται ποιοτική διερεύνηση των παραμέτρων της προσθετικής διαδικασίας με τη μέθοδο της εξώθησης συντηγμένου νήματος σε πολυμερή και σύνθετα υλικά που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή φυσικών αντικειμένων. Τα αντικείμενα αυτά είναι λεπτότοιχα (λόγω των πειραμάτων που έχουν πραγματοποιηθεί) και μπορούν να έχουν εφαρμογή στο χώρο της διακόσμησης εσωτερικού χώρου. Το μεγάλο πλεονέκτημα είναι ότι οι βέλτιστες τιμές των παραμέτρων που παρουσιάζονται μπορούν να χρησιμοποιηθούν και για την κατασκευή κάθε μορφής αντικειμένου με υψηλής ποιότητας χαρακτηριστικά και με το χαμηλότερο κόστος. Αρχικά, μέσω της βιβλιογραφίας αναλύονται οι παράμετροι που επηρεάζουν την τρισδιάστατη εκτύπωση με τη μέθοδο της εξώθησης συντηγμένου νήματος. Στη συνέχεια στην πρώτη πειραματική διάταξη εξετάζεται η επίδραση της θερμοκρασίας ακροφυσίου και του πάχους τοιχώματος στη διαστατική ακρίβεια και την τραχύτητα εκτυπωμένων δοκιμίων από PLA. Ύστερα από την ανάγνωση βιβλιογραφίας παρατηρήθηκε ότι υπάρχει ένα ερευνητικό κενό στην εξέταση της ποιότητας τρισδιάστατα εκτυπωμένων μοντέλων από σύνθετο υλικό που περιέχει ξυλόσκονη και βιοδιασπώμενο πολυμερές PLA (Wood/PLA). Στο δεύτερο πείραμα ερευνάται η επίδραση του πάχους στρώσης και της θερμοκρασίας ακροφυσίου στην ποιότητα λεπτότοιχων δοκιμίων από αυτό το σύνθετο υλικό (Wood/PLA) και στο τρίτο πείραμα εξέταζεται η αντοχή τους (εφελκυσμός, μέτρο ελαστικότητας) υπό την επίδραση διαφορετικών τιμών τεσσάρων μεταβλητών (πάχος στρώσης, θερμοκρασία ακροφυσίου, γωνία εναπόθεσης raster και ταχύτητα εκτύπωσης). Σε όλα τα πειράματα πραγματοποιήθηκε στατιστική ανάλυση των αποτελεσμάτων και εύρεση βέλτιστων τιμών. Σε ξεχωριστο κεφάλαιο παρουσιάζονται ορισμένα πειράματα αξιολόγησης αλλά και τα μοντέλα επικύρωσης τιμών που έχουν βρεθεί.