Impacto da vibração estrutural na impressão por filamento fundido

Abstract

O objetivo desta dissertação é perceber qual é o impacto da vibração estrutural na impressão por filamento fundido. O modelo da impressora 3D utilizada nos estudos foi o Sigma R19. Por forma a determinar o efeito das vibrações na qualidade dos produtos impressos iniciou-se o estudo pela modelação e simulação do comportamento dinâmico da máquina. As simulações foram realizadas com a mesa de impressão colocada em duas posições distintas e foi demonstrado que, à exceção de algumas frequências naturais, a posição do CG altera as caraterísticas dinâmicas da impressora 3D. A fase seguinte do trabalho passou pela validação dos resultados numéricos, ou seja, a realização de uma análise modal experimental. Os resultados experimentais revelaram a existência de cinco frequências naturais comuns a todas as curvas FRF. As frequências foram as seguintes: 50 Hz, 100 Hz, 150 Hz, 200 Hz e 250 Hz. De seguida, com o intuito de determinar as vibrações criadas pelos motores de passo, foram criados e executados alguns movimentos na máquina enquanto se registavam as acelerações. Os resultados obtidos revelaram que o extrusor ou o conjunto ao qual ele está ligado e a mesa de impressão apresentam muita flexibilidade. Logo, estes são os aspetos a corrigir no projeto da impressora 3D para melhorar o seu desempenho. Por fim, a impressão de tubos (geometria impressa) mostrou que as peças com 1 mm de espessura impressas com uma velocidade maior apresentam mais falhas na deposição de material e maior rugosidade devido à maior amplitude das vibrações geradas. No entanto, as peças com 2 mm de espessura não apresentam diferenças significativas entre elas. Ou seja, o efeito das vibrações na impressão é diminuído com o aumento da espessura das peças.

The goal of this essay is to understand the impact of structural vibration on fused filament fabrication. The model of the 3D printer used in this study was Sigma R19. The study started from a CAD model and simulation of the dynamic behavior of the machine. The simulations were executed with the printer table in two different positions and demonstrated that, except for some natural frequencies, the position of CG changes the dynamic characteristics of the 3D printer. The next phase of the work was to validate the numerical results through the experimental modal analysis. The experimental results reveal the existence of five natural frequencies commons to all FRF curves. The frequencies were: 50 Hz, 100 Hz, 150 Hz, 200 Hz, and 250 Hz. Then, to know the vibrations built by the stepper motors were created and executed some movements in the machine while the acceleration registered. The results show that the extruder or the set to the one the extruder is connected and the printer table exhibit a lot of flexibility. Therefore, those are the aspects to rectify in the 3D printer project to improve her performance. Lastly, the tube printing shows that the pieces with 1 mm of thickness printed at a higher speed present more failures on material deposition and higher roughness due to the higher vibration amplitudes created. Nonetheless, the pieces with 2 mm of thickness did not show a significant difference between them. Thus, the vibration Effect on 3D printing reduces with the increase in pieces thickness.