Numerical methods for warpage minimisation in FDM

Warpage in Fused Deposition Modelling (FDM) is a common process phenomenon in which thermal distortions affect part’s accuracy, due to formation of residual stresses. This is an important problem to address for rapid prototyping and rapid tooling, as dimensional accuracy is a priority of the components. Literature shows that numerical simulations to predict this phenomenon are still few, mostly done for simple geometries with a relatively small scale. The aim of this thesis is to benchmark different numerical prediction methods for warpage in FDM, in particular for larger scale geometries made of ABS, to optimize process parameters and minimize distortions. To address this, coupled thermal and mechanical analyses have been carried out, to study how the thermal history affects warpage. Finally, a Design of Experiments based on numerical analyses was done. Results showed that minimizing temperature gradients and nozzle temperature, while maintaining a rather high infill percentage was the best choice for warpage minimization in the case study. The findings can be useful when choosing proper process parameters for FDM using ABS filaments, though the main takeaways can be extended to other amorphous polymeric filaments with similar thermal behaviors.

La deformazione nella modellazione a deposizione fusa (FDM) è un comune fenomeno di processo in cui le distorsioni termiche influiscono sulla precisione del componente, a causa della formazione di tensioni residue. Questo è un problema importante da affrontare per la prototipazione rapida e l'utensileria rapida, poiché la precisione dimensionale rappresenta una priorità. La studio della letteratura mostra che le simulazioni numeriche per prevedere questo fenomeno sono ancora poche, per lo più eseguite su geometrie semplici ed in scala relativamente piccola. Lo scopo della tesi è quello di creare un confronto dei vari metodi di modellazione numerica sulla deformazione in campo FDM, in particolare per geometrie su larga scala realizzate in ABS per ottimizzare i parametri di processo e ridurre al minimo le distorsioni. Per questo scopo sono state effettuate analisi termiche e meccaniche accoppiate, per investigare come la storia termica del componente influisce sulla sua deformazione. Infine, è stata effettuata una campagna sperimentale basata su analisi numeriche. I risultati hanno mostrato che ridurre al minimo i gradienti di temperatura e la temperatura dell'ugello, mentre si sta mantenendo una percentuale di riempimento piuttosto elevata, ha rappresentato la scelta migliore per ridurre al minimo la deformazione nel caso di studio. I risultati possono essere utili quando si scelgono i parametri di processo adeguati nel processo FDM utilizzando filamenti a base ABS, sebbene le conclusioni presentate possano essere estese ad altri filamenti polimerici amorfi con comportamenti termici simili