Role of numerical experiments in design and development of additive manufacturing processes

Additive Manufacturing (AM) is a revolutionary technology that supports mass customization and can be used to manufacture complex constructs with almost any material, including composites, ceramics, metals and even bio-material. While more and more industries are now starting to use AM, the high cost of these unconventional materials, build time and poor part quality has limited the use of AM technologies to prototyping. Therefore, while using expensive materials, it is essential to choose the right printing conditions which ensure consistent and high-quality print. In order to avoid multiple print trials with different print settings, numerical simulations can be used for prediction of optimum printing conditions that ensure desired quality. The purpose of Chapter I in this study is to assess the melt flow behaviour of Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS) and Polylactic Acid (PLA) in the nozzle of Fused Deposition Modelling (FDM) based extruder. Influence of different combination of printing parameters like extrusion velocity Ve and extrusion temperature Te, on print quality, are tested by analyzing the distribution of pressure, temperature, velocity and viscosity inside the nozzle. Rheological models for material viscosity (Cross-WLF) and density (PVT) are employed in CFD simulations to accurately capture flow characteristics of the plastics. Single strand deposition simulations confirm that rheological models greatly impact the melt profile and therefore the part dimensions and quality. Position of fully developed flow in the nozzle, known as stable zones, are determined and correlated to print quality. Finally, the optimum combinations of printing parameters that result in extended stable zones are proposed and they correspond to Ve = 60mm/s, Te = 220oC for ABS and Ve = 30mm/s, Te = 195oC for PLA. Bioprinting is an extrusion-based AM technology that has promising prospects in biomedical and health sector. It can be used to create complex bio-constructs such as tissues, organs and implants via layer-by-layer deposition of cell laden bio-material. In Chapter II, numerical simulations of single strand deposition of collagen bioink is presented and the influence of printing parameters on printability, quality and cell viability is discussed. In order to maintain a structurally stable print architecture conducive for cell growth, printability of the bioink has to be improved. Critical printing parameters like nozzle diameter (Dn), Stand-Off Distance (SOD), extrusion velocity (Ve), table velocity (Vt), extrusion temperature (Te) and cell concentration (C) are considered and their influence on deposited strand dimensions is studied to propose optimum combinations for best infill and quality. Comparison with experimental cell viability tests at different shear stresses reveal that collagen bioink can be expected to have high cell viability of 90-95% for the optimum printing parameters recommended in this study. On observing the flow trajectory of material during deposition, it is found that dead cells are concentrated at the sides and bottom of the strand. Finally, the influence of Te and Vt on cool down distance (dCD) is assessed by calculating the position at which the bioink cools down to room temperature and is ready for the next layer of deposition. In chapter III, a thermo-mechanical design optimization methodology is presented for fabrication of injection molding and die casting tools, with conformal cooling channels, using AM techniques. In order to increase productivity, cooling time (CT) of the mold has to be reduced. Conventional cooling channels are generally drilled into the mold, which are inefficient while dealing with a complex part with varying local heat concentration. Cooling channels which conform to the part shape, and increase heat rejection from the mold, can be effectively fabricated using AM. In this study 6 design variables are parameterized, namely: diameter (D), distance of CCC from part (L), number of CCCs in part interior (nin) and exterior (nout), pitch distance between adjacent CCCs on the interior (Pin) and the exterior side (Pout) of the part. Transient thermal and static structural simulations are carried out to optimize these design variables such that the resulting mold design has minimum of the output parameters: cooling time (CT), mold volume (Vmold), maximum von-Mises stress (sigma_{max,VM}) and strain ( arepsilon_{max,VM}). Pareto analysis is carried out for different combinations of the output parameters to obtain the optimal design points (DPs). Grey relational analysis filters out the best DP among the optimal ones. This thermo-mechanical design optimization methodology is expanded to design die casting molds, which are then compared with the molds for injection molding.

La produzione additiva (AM) è una tecnologia rivoluzionaria che supporta la personalizzazione di massa e può essere utilizzata per produrre strutture complesse con quasi tutti i materiali, inclusi compositi, ceramiche, metalli e persino biomateriali. Mentre sempre più industrie stanno iniziando a utilizzare l'AM, l'alto costo di questi materiali non convenzionali, il tempo di costruzione e la scarsa qualità delle parti ha limitato l'uso delle tecnologie AM alla prototipazione. Pertanto, pur utilizzando materiali costosi, è essenziale scegliere le giuste condizioni di stampa che garantiscano una stampa coerente e di alta qualità. Per evitare più prove di stampa con diverse impostazioni di stampa, è possibile utilizzare simulazioni numeriche per la previsione delle condizioni di stampa ottimali che garantiscono la qualità desiderata. Lo scopo del Capitolo I in questo studio è valutare il comportamento del flusso di fusione di acrilonitrile butadiene stirene (ABS) e acido polilattico (PLA) nell'ugello dell'estrusore basato su Fused Deposition Modeling (FDM). L'influenza di diverse combinazioni di parametri di stampa come velocità di estrusione Ve e temperatura di estrusione Te, sulla qualità di stampa, viene testata analizzando la distribuzione di pressione, temperatura, velocità e viscosità all'interno dell'ugello. I modelli reologici per la viscosità del materiale (Cross-WLF) e la densità (PVT) vengono utilizzati nelle simulazioni CFD per acquisire con precisione le caratteristiche di flusso delle materie plastiche. Le simulazioni di deposizione di un singolo filamento confermano che i modelli reologici influiscono notevolmente sul profilo del fuso e quindi sulle dimensioni e sulla qualità delle parti. La posizione del flusso completamente sviluppato nell'ugello, nota come zone stabili, è determinata e correlata alla qualità di stampa. Infine, vengono proposte le combinazioni ottimali dei parametri di stampa che si traducono in zone stabili estese e corrispondono a Ve = 60mm / s, Te = 220oC per ABS e Ve = 30mm / s, Te = 195oC per PLA. Il bioprinting è una tecnologia AM basata sull'estrusione che ha prospettive promettenti nel settore biomedicale e sanitario. Può essere utilizzato per creare bio-costrutti complessi come tessuti, organi e impianti tramite la deposizione strato per strato di biomateriale carico di cellule. Nel Capitolo II vengono presentate simulazioni numeriche della deposizione di un singolo filamento di collagene bioink e viene discussa l'influenza dei parametri di stampa sulla stampabilità, la qualità e la vitalità cellulare. Per mantenere un'architettura di stampa strutturalmente stabile che favorisca la crescita cellulare, la stampabilità del bioink deve essere migliorata. Vengono considerati i parametri di stampa critici come il diametro dell'ugello (Dn), la distanza di stand-off (SOD), la velocità di estrusione (Ve), la velocità della tavola (Vt), la temperatura di estrusione (Te) e la concentrazione della cella (C) e la loro influenza sulle dimensioni del filo depositato è studiato per proporre combinazioni ottimali per il miglior riempimento e qualità. Il confronto con i test di vitalità cellulare sperimentale a diversi stress di taglio rivela che ci si può aspettare che il collagene bioink abbia un'elevata vitalità cellulare del 90-95% per i parametri di stampa ottimali raccomandati in questo studio. Osservando la traiettoria del flusso del materiale durante la deposizione, si è riscontrato che le cellule morte sono concentrate ai lati e sul fondo del filo. Infine, l'influenza di Te e Vt sulla distanza di raffreddamento (dCD) viene valutata calcolando la posizione in cui il bioink si raffredda a temperatura ambiente ed è pronto per il successivo strato di deposizione. Nel capitolo III, viene presentata una metodologia di ottimizzazione della progettazione termo-meccanica per la fabbricazione di strumenti di stampaggio a iniezione e pressofusione, con canali di raffreddamento conformi, utilizzando tecniche AM. Per aumentare la produttività, è necessario ridurre il tempo di raffreddamento (CT) dello stampo. I canali di raffreddamento convenzionali sono generalmente perforati nello stampo, che sono inefficienti mentre si tratta di una parte complessa con una concentrazione di calore locale variabile. I canali di raffreddamento che si adattano alla forma del pezzo e aumentano la reiezione del calore dallo stampo possono essere fabbricati efficacemente utilizzando AM. In questo studio sono parametrizzate 6 variabili di progetto, vale a dire: diametro (D), distanza del CCC dalla parte (L), numero di CCC nella parte interna (nin) ed esterna (nout), distanza del passo tra CCC adiacenti all'interno (Pin ) e il lato esterno (Pout) della parte. Vengono eseguite simulazioni strutturali termiche e statiche transitorie per ottimizzare queste variabili di progetto in modo che il progetto dello stampo risultante abbia il minimo dei parametri di output: tempo di raffreddamento (CT), volume dello stampo (Vmold), sollecitazione di von-Mises massima VM}) e ceppo ( varepsilon_ {max, VM}). L'analisi di Pareto viene eseguita per diverse combinazioni dei parametri di output per ottenere i punti di progetto ottimali (DP). L'analisi relazionale grigia filtra la migliore DP tra quelle ottimali. Questa metodologia di ottimizzazione della progettazione termo-meccanica viene estesa alla progettazione di stampi per pressofusione, che vengono poi confrontati con gli stampi per stampaggio a iniezione.