Effect of printing parameters on the mechanical properties of 3D-printed specimen

3D printing is an ever-growing manufacturing process, gaining a lot of popularity in the last years, with potential for application in a multitude of fields, particularly in the medical field on the subject of prosthetics and orthotics. Its ease of accessibility and both time and cost effectiveness...

Πλήρης περιγραφή

Λεπτομέρειες βιβλιογραφικής εγγραφής
Κύριος συγγραφέας: Χαρισιάδης, Δημήτριος
Άλλοι συγγραφείς: Charisiadis, Dimitrios
Γλώσσα:English
Έκδοση: 2023
Θέματα:
Διαθέσιμο Online:https://hdl.handle.net/10889/25236
id nemertes-10889-25236
record_format dspace
institution UPatras
collection Nemertes
language English
topic 3D printing
Printing parameters
Material mechanical properties
Finite element analysis
Prosthetic/Orthotic devices
Τρισδιάστατη εκτύπωση
Παράμετροι εκτύπωσης
Μηχανικές ιδιότητες υλικών
Ανάλυση πεπερασμένων στοιχείων
Προσθετικά/Ορθωτικά μέλη
spellingShingle 3D printing
Printing parameters
Material mechanical properties
Finite element analysis
Prosthetic/Orthotic devices
Τρισδιάστατη εκτύπωση
Παράμετροι εκτύπωσης
Μηχανικές ιδιότητες υλικών
Ανάλυση πεπερασμένων στοιχείων
Προσθετικά/Ορθωτικά μέλη
Χαρισιάδης, Δημήτριος
Effect of printing parameters on the mechanical properties of 3D-printed specimen
description 3D printing is an ever-growing manufacturing process, gaining a lot of popularity in the last years, with potential for application in a multitude of fields, particularly in the medical field on the subject of prosthetics and orthotics. Its ease of accessibility and both time and cost effectiveness make it an attractive alternative to current manufacturing processes. Due to its recency, however, as well as insufficient documentation for the thermoplastic materials it commonly uses (compared to more conventional materials like metals), there is an information gap, regarding how the plethora of pre-process configurations and parameters can potentially affect the mechanical properties of the 3D-printed parts. The goal of this thesis is to fill this gap, as well as provide a guideline for future studies regarding this subject. To achieve this goal, a number of specimen was printed, following the guidelines from ASTM D638 standard, which would be tested for their tensile properties. The standard procedure is to input the CAD file of the specimen into the slicer program of the 3D printer, and after some configurations, an STL file is exported, which can be read by the 3D printer, and the part is produced. These configurations have to do with the 3D printing procedure, from nozzle temperatures to specific instructions on how the printer will fill the volume of the part. The latter is very important, as it creates an internal geometry, which greatly affects the mechanical behavior and load response of the 3D printed part, and this is what is tested in this thesis. To do that, control specimen were created, with specific values for four printing parameters that were to be tested: Infill Density, Perimeter Thickness, Shell Thickness and Layer Height. The rest of the specimen had the value of one parameter changed, while the rest remained as they were, in order to test the effect of each parameter individually. For the creation of the specimen, four common 3D-printing materials (PLA, PETG, CPE and ABS) were used, to determine the potential effect that the parameters had on each one. The specimen were then tested on a tensile testing apparatus, to determine their tensile properties, and more specifically, Modulus of Elasticity and Tensile Strength, and compared to determine their differences, taking into consideration the printing time and the cost of their manufacturing. This indicated the effectiveness of each parameter and whether applying that change would be worthwhile, which is especially useful information in large scale operations. The tensile tests showed that perimeter thickness had the greatest effect on the mechanical properties on the specimen, regardless of the material used, and that by increasing it, both modulus of elasticity and tensile strength would improve significantly, with minimal change in printing time and cost. Shell thickness came second on this matter, also having a noticeable effect on the mechanical properties of the specimen. Increasing the infill density did increase the modulus of elasticity for the specimen, but had a small effect on the tensile strength. In addition, these improvements came with a substantial increase in both printing time and cost, making other adjustments, like the ones mentioned above, more attractive. Finally, in all cases, layer height had a small effect on both modulus of elasticity and tensile strength, compared to the other parameters, while increasing printing time drastically, making it a suboptimal choice, and thus not recommended for improving the mechanical properties of a part, unless required by its geometry. To validate these experimental results, a Finite Element Analysis model of the tensile specimen was created, which was used in a simulation tensile test. At first, a CAD model of the 3D-printed part, which included the internal geometry, was created in Autodesk Fusion 360, and was then imported in ANSYS Mechanical Student ver., the software used for the simulations. Since ANSYS does not have material data for plastics, they were created from scratch for each material used. With the creation for the materials done, a mesh was then constructed for the specimen, which essentially breaks the model into Finite Elements, to be used in the analysis. Finally, boundary conditions and loads that replicated the tensile tests were configured, the simulation setup was ready. Same simulations were run multiple times with increasing number of FE used, to reach mesh convergence, and the converged data was used to extract the information required (tensile strength and modulus of elasticity), to be compared with the experimental results. Unfortunately, it should be kept in mind that factors like FE usage license limitations, as well as material data inaccuracies by manufacturers and difficulty in finding appropriate material models to express the mechanical behavior of plastics in ANSYS have lowered the quality of the simulation model and its results. The simulated tensile tests’ results were overall close to their experimental counterparts, indicating that the model was accurate, but lacked precision. There were only a few exceptions, regarding the tensile strength of the specimen, where the model was not able to accurately predict the specimen’s tensile behavior. In addition, the simulation model was more accurate predicting the behavior of PETG and CPE than ABS and especially PLA, which showed larger differences between results. In the end, however, this model was able to predict up to a point, the mechanical properties of 3D-printed specimen, thus validating the experimental results. Narrow time margins prevented the further improvement of the FEA model. Testing the simulation model without license limitations, as well as a more refined material model would be some basic directions for further research on the FEA part. As far as the experiments go, more parameters like printing orientation and infill patterns, as well as other mechanical tests, like fatigue and compression, would expand the scope of this study and are necessary, in order to have a clearer picture on 3D-printing as a whole.
author2 Charisiadis, Dimitrios
author_facet Charisiadis, Dimitrios
Χαρισιάδης, Δημήτριος
author Χαρισιάδης, Δημήτριος
author_sort Χαρισιάδης, Δημήτριος
title Effect of printing parameters on the mechanical properties of 3D-printed specimen
title_short Effect of printing parameters on the mechanical properties of 3D-printed specimen
title_full Effect of printing parameters on the mechanical properties of 3D-printed specimen
title_fullStr Effect of printing parameters on the mechanical properties of 3D-printed specimen
title_full_unstemmed Effect of printing parameters on the mechanical properties of 3D-printed specimen
title_sort effect of printing parameters on the mechanical properties of 3d-printed specimen
publishDate 2023
url https://hdl.handle.net/10889/25236
work_keys_str_mv AT charisiadēsdēmētrios effectofprintingparametersonthemechanicalpropertiesof3dprintedspecimen
AT charisiadēsdēmētrios epidrasēparametrōnektypōsēsstismēchanikesidiotētestrisdiastataektypōmenōndokimiōn
_version_ 1771297348357455872
spelling nemertes-10889-252362023-06-30T04:00:26Z Effect of printing parameters on the mechanical properties of 3D-printed specimen Επίδραση παραμέτρων εκτύπωσης στις μηχανικές ιδιότητες τρισδιάστατα εκτυπωμένων δοκιμίων Χαρισιάδης, Δημήτριος Charisiadis, Dimitrios 3D printing Printing parameters Material mechanical properties Finite element analysis Prosthetic/Orthotic devices Τρισδιάστατη εκτύπωση Παράμετροι εκτύπωσης Μηχανικές ιδιότητες υλικών Ανάλυση πεπερασμένων στοιχείων Προσθετικά/Ορθωτικά μέλη 3D printing is an ever-growing manufacturing process, gaining a lot of popularity in the last years, with potential for application in a multitude of fields, particularly in the medical field on the subject of prosthetics and orthotics. Its ease of accessibility and both time and cost effectiveness make it an attractive alternative to current manufacturing processes. Due to its recency, however, as well as insufficient documentation for the thermoplastic materials it commonly uses (compared to more conventional materials like metals), there is an information gap, regarding how the plethora of pre-process configurations and parameters can potentially affect the mechanical properties of the 3D-printed parts. The goal of this thesis is to fill this gap, as well as provide a guideline for future studies regarding this subject. To achieve this goal, a number of specimen was printed, following the guidelines from ASTM D638 standard, which would be tested for their tensile properties. The standard procedure is to input the CAD file of the specimen into the slicer program of the 3D printer, and after some configurations, an STL file is exported, which can be read by the 3D printer, and the part is produced. These configurations have to do with the 3D printing procedure, from nozzle temperatures to specific instructions on how the printer will fill the volume of the part. The latter is very important, as it creates an internal geometry, which greatly affects the mechanical behavior and load response of the 3D printed part, and this is what is tested in this thesis. To do that, control specimen were created, with specific values for four printing parameters that were to be tested: Infill Density, Perimeter Thickness, Shell Thickness and Layer Height. The rest of the specimen had the value of one parameter changed, while the rest remained as they were, in order to test the effect of each parameter individually. For the creation of the specimen, four common 3D-printing materials (PLA, PETG, CPE and ABS) were used, to determine the potential effect that the parameters had on each one. The specimen were then tested on a tensile testing apparatus, to determine their tensile properties, and more specifically, Modulus of Elasticity and Tensile Strength, and compared to determine their differences, taking into consideration the printing time and the cost of their manufacturing. This indicated the effectiveness of each parameter and whether applying that change would be worthwhile, which is especially useful information in large scale operations. The tensile tests showed that perimeter thickness had the greatest effect on the mechanical properties on the specimen, regardless of the material used, and that by increasing it, both modulus of elasticity and tensile strength would improve significantly, with minimal change in printing time and cost. Shell thickness came second on this matter, also having a noticeable effect on the mechanical properties of the specimen. Increasing the infill density did increase the modulus of elasticity for the specimen, but had a small effect on the tensile strength. In addition, these improvements came with a substantial increase in both printing time and cost, making other adjustments, like the ones mentioned above, more attractive. Finally, in all cases, layer height had a small effect on both modulus of elasticity and tensile strength, compared to the other parameters, while increasing printing time drastically, making it a suboptimal choice, and thus not recommended for improving the mechanical properties of a part, unless required by its geometry. To validate these experimental results, a Finite Element Analysis model of the tensile specimen was created, which was used in a simulation tensile test. At first, a CAD model of the 3D-printed part, which included the internal geometry, was created in Autodesk Fusion 360, and was then imported in ANSYS Mechanical Student ver., the software used for the simulations. Since ANSYS does not have material data for plastics, they were created from scratch for each material used. With the creation for the materials done, a mesh was then constructed for the specimen, which essentially breaks the model into Finite Elements, to be used in the analysis. Finally, boundary conditions and loads that replicated the tensile tests were configured, the simulation setup was ready. Same simulations were run multiple times with increasing number of FE used, to reach mesh convergence, and the converged data was used to extract the information required (tensile strength and modulus of elasticity), to be compared with the experimental results. Unfortunately, it should be kept in mind that factors like FE usage license limitations, as well as material data inaccuracies by manufacturers and difficulty in finding appropriate material models to express the mechanical behavior of plastics in ANSYS have lowered the quality of the simulation model and its results. The simulated tensile tests’ results were overall close to their experimental counterparts, indicating that the model was accurate, but lacked precision. There were only a few exceptions, regarding the tensile strength of the specimen, where the model was not able to accurately predict the specimen’s tensile behavior. In addition, the simulation model was more accurate predicting the behavior of PETG and CPE than ABS and especially PLA, which showed larger differences between results. In the end, however, this model was able to predict up to a point, the mechanical properties of 3D-printed specimen, thus validating the experimental results. Narrow time margins prevented the further improvement of the FEA model. Testing the simulation model without license limitations, as well as a more refined material model would be some basic directions for further research on the FEA part. As far as the experiments go, more parameters like printing orientation and infill patterns, as well as other mechanical tests, like fatigue and compression, would expand the scope of this study and are necessary, in order to have a clearer picture on 3D-printing as a whole. Η τρισδιάστατη εκτύπωση είναι μια διαρκώς αναπτυσσόμενη διαδικασία παραγωγής, που κερδίζει μεγάλη δημοτικότητα τα τελευταία χρόνια, με δυνατότητες εφαρμογής σε πληθώρα πεδίων, ιδιαίτερα στον ιατρικό τομέα στο θέμα της προσθετικής και της ορθωτικής. Η ευκολία προσβασιμότητας και η αποδοτικότητα χρόνου και κόστους το καθιστούν ελκυστική εναλλακτική λύση στις τρέχουσες διαδικασίες παραγωγής. Ωστόσο, επειδή χαίρει ευτύτερης δημοφιλίας μόνο τα τελευταία χρόνια, καθώς και της ανεπαρκούς βιβλιογραφίας για τα θερμοπλαστικά υλικά που χρησιμοποιεί συνήθως (σε σύγκριση με πιο συμβατικά υλικά όπως τα μέταλλα), υπάρχει ένα κενό πληροφοριών σχετικά με το πώς η πληθώρα των εφαρμοζόμενων παραμέτρων πριν από τη διεργασία μπορεί να επηρεάσει την μηχανικές ιδιότητες των εξαρτημάτων που εκτυπώνονται με 3D. Στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι να καλύψει αυτό το κενό, καθώς και να παράσχει κατευθυντήριες γραμμές για μελλοντικές μελέτες σχετικά με αυτό το θέμα. Για να επιτευχθεί αυτός ο στόχος, τυπώθηκε ένας αριθμός δειγμάτων, ακολουθώντας τις οδηγίες του προτύπου ASTM D638, τα οποία θα ελεγχθούν για τις ιδιότητες εφελκυσμού τους. Η τυπική διαδικασία είναι η εισαγωγή του αρχείου CAD του δείγματος στο πρόγραμμα slicer του τρισδιάστατου εκτυπωτή και μετά από ορισμένες διαμορφώσεις, εξάγεται ένα αρχείο STL, το οποίο μπορεί να διαβαστεί από τον εκτυπωτή, ώστε να εκτυπώσει το κομμάτι. Αυτές οι διαμορφώσεις έχουν να κάνουν με τη διαδικασία της ίδιας της εκτύπωσης, από τις θερμοκρασίες των ακροφυσίων έως τις συγκεκριμένες οδηγίες για το πώς ο εκτυπωτής θα γεμίσει τον όγκο του εξαρτήματος. Το τελευταίο είναι πολύ σημαντικό, καθώς δημιουργεί μια εσωτερική γεωμετρία, η οποία επηρεάζει σε μεγάλο βαθμό τη μηχανική συμπεριφορά και την κατανομή φορτίου του εκτυπωμένου κομματιού, και αυτό είναι που δοκιμάζεται σε αυτή τη διατριβή. Για να γίνει αυτό, δημιουργήθηκε δείγμα ελέγχου δοκιμίων, με συγκεκριμένες τιμές για τέσσερις παραμέτρους εκτύπωσης που έπρεπε να ελεγχθούν: Πυκνότητα πλήρωσης, Πάχος περιμέτρου, Πάχος κελύφους και Ύψος στρώματος. Τα υπόλοιπα δοκίμια είχαν τις ίδιες παραμέτρους εκτός από μια, της οποίας η τιμή άλλαζε, προκειμένου να ελεγχθεί η επίδραση της ξεχωριστά. Για τη δημιουργία του δείγματος χρησιμοποιήθηκαν τέσσερα υλικά που χρησιμοποιούνται συχνά στη τρισδιάστατη εκτύπωση (PLA, PETG, CPE και ABS), για να προσδιοριστεί η πιθανή επίδραση που είχαν οι εξεταζόμενες παράμετροι σε κάθε μία. Στη συνέχεια, τα δείγματα δοκιμάστηκαν σε μια συσκευή εφελκυσμού, για τον προσδιορισμό των ιδιοτήτων εφελκυσμού τους, και πιο συγκεκριμένα, του Μέτρου Ελαστικότητας και της Εφελκυστικής Αντοχής τους, και συγκρίθηκαν για τον προσδιορισμό των διαφορών τους, λαμβάνοντας υπόψη τον χρόνο εκτύπωσης και το κόστος κατασκευής τους. Αυτό έδειξε την αποτελεσματικότητα κάθε παραμέτρου και αν η εφαρμογή αυτής της αλλαγής θα άξιζε τον κόπο, μια ιδιαίτερα χρήσιμη πληροφορία σε παραγωγές μεγάλης κλίμακας. Οι δοκιμές εφελκυσμού έδειξαν ότι το πάχος της περιμέτρου είχε τη μεγαλύτερη επίδραση στις μηχανικές ιδιότητες του δείγματος, ανεξάρτητα από το χρησιμοποιούμενο υλικό, και ότι αυξάνοντάς το, τόσο το μέτρο ελαστικότητας όσο και η αντοχή σε εφελκυσμό θα βελτιωνόταν σημαντικά, με ελάχιστη αλλαγή στο χρόνο εκτύπωσης και στο κόστος. Το πάχος του κελύφους ήρθε δεύτερο σε αυτό το θέμα, έχοντας επίσης αξιοσημείωτη επίδραση στις μηχανικές ιδιότητες του δείγματος. Η αύξηση της πυκνότητας πλήρωσης επίσης αύξησε το μέτρο ελαστικότητας για το δείγμα, αλλά είχε μικρή επίδραση στην αντοχή σε εφελκυσμό. Επιπλέον, αυτές οι βελτιώσεις οδήγησαν σε σημαντική αύξηση τόσο στον χρόνο εκτύπωσης όσο και στο κόστος, κάνοντας άλλες προσαρμογές, όπως αυτές που αναφέρθηκαν παραπάνω, πιο ελκυστικές. Τέλος, σε όλες τις περιπτώσεις, το ύψος του στρώματος είχε μικρή επίδραση τόσο στο μέτρο ελαστικότητας όσο και στην αντοχή σε εφελκυσμό, σε σύγκριση με τις υπόλοιπες παραμέτρους, ενώ αυξάνει δραστικά τον χρόνο εκτύπωσης, καθιστώντας το μια μη βέλτιστη επιλογή και επομένως δεν συνιστάται για τη βελτίωση των μηχανικών ιδιοτήτων ενός μέρος, εκτός αν απαιτείται από τη γεωμετρία του. Για την επικύρωση αυτών των πειραματικών αποτελεσμάτων, δημιουργήθηκε ένα μοντέλο ανάλυσης πεπερασμένων στοιχείων του δοκιμίου εφελκυσμού, το οποίο χρησιμοποιήθηκε σε μια δοκιμή εφελκυσμού προσομοίωσης. Αρχικά, ένα μοντέλο CAD του 3D-εκτυπωμένου τμήματος, το οποίο περιελάμβανε την εσωτερική γεωμετρία, δημιουργήθηκε στο Autodesk Fusion 360 και στη συνέχεια εισήχθη στο ANSYS Mechanical Student ver., το λογισμικό που χρησιμοποιήθηκε για τις προσομοιώσεις. Δεδομένου ότι η ANSYS δεν διαθέτει δεδομένα υλικού για πλαστικά, τα υλικά που χρησιμοποιήθηκαν δημιουργήθηκαν από την αρχή και εισήχθησαν στο σύστημα. Μετά τη δημιουργία των υλικών, κατασκευάστηκε ένα πλέγμα για το δείγμα, το οποίο ουσιαστικά σπάει το μοντέλο σε πεπερασμένα στοιχεία, για να χρησιμοποιηθεί στην ανάλυση. Τέλος, αφού διαμορφώθηκαν οι οριακές συνθήκες και τα φορτία που εφαρμόστηκαν στις δοκιμές εφελκυσμού, οι ρυθμίσεις των παραμέτρων προσομοίωσης ήταν έτοιμες. Οι ίδιες προσομοιώσεις εκτελέστηκαν πολλές φορές, με διαρκώς αυξανόμενο αριθμό ΠΣ, για να επιτευχθεί σύγκλιση πλέγματος, και τα συγκλίνοντα δεδομένα χρησιμοποιήθηκαν για την εξαγωγή των απαιτούμενων πληροφοριών (αντοχή εφελκυσμού και μέτρο ελαστικότητας), για σύγκριση με τα πειραματικά αποτελέσματα. Δυστυχώς, θα πρέπει να ληφθεί υπόψη ότι παράγοντες όπως οι περιορισμοί αδειών χρήσης FE, καθώς και οι ανακρίβειες δεδομένων των υλικών από τους κατασκευαστές και η δυσκολία εύρεσης κατάλληλων μοντέλων υλικών για την έκφραση της μηχανικής συμπεριφοράς των πλαστικών στο ANSYS έχουν μειώσει την ποιότητα του μοντέλου προσομοίωσης και των αποτελεσμάτων του. Τα αποτελέσματα προσομοίωσης των δοκιμών εφελκυσμού ήταν κοντά στα αντίστοιχα πειραματικά. Υπήρχαν μόνο λίγες εξαιρέσεις, όσον αφορά την αντοχή σε εφελκυσμό του δείγματος, όπου το μοντέλο δεν ήταν σε θέση να προβλέψει με ακρίβεια τη συμπεριφορά του εφελκυόμενου δοκιμίου. Επιπλέον, το μοντέλο προσομοίωσης ήταν πιο ακριβές στην πρόβλεψη της συμπεριφοράς των PETG και CPE από το ABS και ειδικά το PLA, το οποίο έδειξε σχετικά μεγαλύτερες διαφορές μεταξύ των αποτελεσμάτων. Στο τέλος, ωστόσο, αυτό το μοντέλο μπόρεσε να προβλέψει μέχρι ένα σημείο τις μηχανικές ιδιότητες του τρισδιάστατου εκτυπωμένου δείγματος, επικυρώνοντας έτσι τα πειραματικά αποτελέσματα. Τα στενά χρονικά περιθώρια εμπόδισαν την περαιτέρω βελτίωση του μοντέλου FEA. Η δοκιμή του μοντέλου προσομοίωσης χωρίς περιορισμούς άδειας χρήσης, καθώς και η χρήση ενός πιο εκλεπτυσμένου μοντέλου υλικών αποτελούν κάποιες βασικές βελτιώσεις για περαιτέρω έρευνα στο κομμάτι των ΠΣ. Όσον αφορά τα πειράματα, περισσότερες παράμετροι όπως ο προσανατολισμός εκτύπωσης και τα μοτίβα πλήρωσης, καθώς και άλλες μηχανικές δοκιμές, όπως η κόπωση και η συμπίεση, θα διεύρυναν το πεδίο αυτής της μελέτης και είναι απαραίτητες, προκειμένου να έχουμε μια πιο ξεκάθαρη συνολική εικόνα σχετικά με την τρισδιάστατη εκτύπωση. 2023-06-29T05:30:48Z 2023-06-29T05:30:48Z 2023-06-28 https://hdl.handle.net/10889/25236 en CC0 1.0 Universal http://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0/ application/pdf