A model for distortion estimation of FDM parts

Fused Deposition Modeling (FDM) is the most common extrusion-based Additive Manufacturing (AM) technology able to produce physical parts of any complex shapes directly from virtual model. The continuous advances in material science as well as the development of more accurate hardware and software for the deposition process have widen the range of applications of this technology so as in last years it has evolved from a rapid prototyping technique to a manufacturing method where functional parts with tailored properties are produced for potential end-use. Currently, FDM is employed to reduce the product development time and cost in process chains and to produce final parts in small and medium batch. However, the evolution of the technology has led to stricter requirements in terms of accuracy and geometric tolerance. In this thesis, among various causes of inaccuracy affecting FDM parts, the influence of inner stress-induced distortions due to thermal gradient within the part during the deposition process was investigated. A model for the estimation of thin plate parts distortions was developed, according to some basic hypotheses and simplifications, which also include the possibility of yielding at high temperature of the thermoplastic build material. Each one of the influencing factors of the model was analysed and the performance of the model was evaluated in comparison with a reference model and with some experimental measurements. Based on the obtained results, some guidelines to improve the accuracy of parts and to recognize the most critical in terms of potential distortion were provided. This work represents a first attempt to the definition of the issue of distortion of FDM manufactured parts and it is the basis for an effective extension of the study to parts without any geometrical complexity limitation.

La Modellazione a deposizione fusa, in inglese Fused Deposition Modeling (FDM), è la più diffusa tecnologia di produzione additiva fra quelle basate su un principio di estrusione del materiale di fabbricazione e consente di realizzare oggetti tridimensionali di qualsiasi forma a partire da un modello virtuale. Negli ultimi anni, il continuo miglioramento nello studio dei materiali impiegati così come lo sviluppo di sistemi di deposizione del filamento sempre più accurati hanno comportato un aumento del ventaglio di applicazioni di questa tecnologia. La FDM è passata dall'essere un processo per la sola prototipazione rapida ad una potenziale tecnologia di produzione di prodotti finiti con caratteristiche su misura del cliente, tanto che ad oggi è impiegata sia per ridurre tempi e costi in fase di sviluppo di nuovi prodotti che nella produzione di prodotti in piccola e media serie. L'evoluzione della tecnologia, tuttavia, ha portato alla definizione di requisiti produttivi più restrittivi in termini di accuratezza e tolleranze geometriche. In questa tesi, fra le varie fonti che comportano un calo di accuratezza di particolari prodotti tramite FDM, è stata studiata l'influenza delle distorsioni generate dal rilascio di stress interni dovuti ai gradienti di temperatura che si sviluppano nel corso del processo di deposizione. Un modello per la stima delle distorsioni di piastre di limitato spessore è stato sviluppato sulla base di alcune ipotesi e semplificazioni, tenendo anche conto della possibilità di snervamento ad alta temperatura del materiale di fabbricazione. L'effetto di ognuno dei fattori influenti nel modello è stato analizzato e le prestazioni del modello stesso sono state valutate in confronto con un modello già presente in letteratura e con delle prove sperimentali. Sulla base dei risultati ottenuti, sono state fornite alcune linee guida per aumentare il livello di accuratezza dei componenti da produrre e per il riconoscimento di quelli più critici in quanto a probabilità di essere soggetti a distorsioni. Questo lavoro rappresenta un primo tentativo nella definizione del problema delle distorsioni di componenti prodotti mediante FDM e può costituire la base per un'estensione dello studio a componenti di geometria più complessa.