I ricercatori usano la simulazione CFD per determinare il tasso ideale di estrusione e il percorso utensile in FDM
In un documento intitolato ” Modellazione numerica della deposizione del materiale e precisione del profilo nella modellazione di deposizione fusa “, un gruppo di ricercatori discute di come hanno utilizzato la fluidodinamica di calcolo (CFD) per simulare il flusso del materiale estruso dall’ugello di una stampante 3D. Il materiale termoplastico fuso è stato modellato come un fluido newtoniano incomprimibile con una superficie libera e il modello numerico ha fornito una previsione della forma della strada stampata. La simulazione CFD ha fornito un modo per ottimizzare la pianificazione del percorso utensile e la strategia di deposizione, al fine di migliorare l’accuratezza dimensionale nella stampa 3D basata su estrusione.
I ricercatori hanno studiato quattro strategie di deposizione per la stampa 3D di una strada con una svolta di 90 gradi sulla piattaforma di costruzione. Sono stati considerati due tipi di percorsi utensile per la stampa 3D della svolta di 90 °: un percorso utensile nitido, che riproduce la traiettoria esatta dei due segmenti, richiedendo un arresto della testina di stampa nel punto di svolta; e un percorso utensile arrotondato, che negozia la svolta con accelerazione blended lungo l’asse X e Y. Sono stati considerati anche due tassi di estrusione: una velocità di estrusione costante e una velocità di estrusione sincronizzata, in cui il flusso volumetrico è mantenuto proporzionale alla velocità tangenziale della testina di stampa.
“In teoria, la velocità di estrusione sincronizzata dovrebbe produrre una larghezza di strada uniforme lungo la svolta; tuttavia, la velocità di estrusione sincronizzata è un caso ideale che potrebbe essere raggiunto solo se le dinamiche del liquefattore e del sistema di alimentazione dei filamenti fossero completamente prevedibili e sotto il pieno controllo della stampante 3D, il che non è il caso nella pratica “, spiegano i ricercatori . “D’altro canto, si prevede che la velocità di estrusione costante porti a larghezze variabili della strada, quando la testina di stampa rallenta o si ferma alla svolta.”
I ricercatori hanno utilizzato un modello CFD per simulare le diverse velocità del flusso di materiale. Hanno trovato che il caso ideale era dove la velocità di estrusione era sincronizzata con la velocità tangenziale della testina di stampa e il percorso dell’utensile seguiva una traiettoria di stop-at-turn. Questo ha prodotto una larghezza di strada uniforme con troppo pieno di troppo pieno e sottodivisione alla svolta. Tuttavia, se la velocità di estrusione è stata mantenuta costante durante le fasi di accelerazione e decelerazione, la traiettoria stop-at-turn ha prodotto un grande overfill alla svolta. Una larghezza di strada quasi uniforme potrebbe essere ottenuta con una velocità di estrusione costante, utilizzando l’accelerazione blended, a scapito della levigatura dell’angolo.
Geometria del modello CFD. Il turchese chiaro e le superfici grigio scuro rappresentano rispettivamente la piattaforma di costruzione e l’ugello di estrusione.
“Il percorso dell’utensile levigato con un fattore di accelerazione dell’accelerazione κ = 0,6 fornisce un compromesso tra il sovradimensionamento del materiale e il livellamento dell’angolo”, concludono i ricercatori. “In linea di principio, le variazioni previste della larghezza della strada all’angolo potrebbero essere prese in considerazione dal pianificatore percorso utensile, al fine di compensare le aree di riempimento e di riempimento. Pertanto, le simulazioni CFD potrebbero essere utilizzate per sviluppare percorsi utensile ottimizzati e strategie di deposizione, che migliorerebbero l’accuratezza dimensionale e la qualità della superficie nella produzione additiva basata su estrusione. “
Gli autori del documento includono Raphaël Benjamin Comminal, Marcin Piotr Serdeczny, David Bue Pedersen e Jon Spangenberg.
