Investigação dos efeitos da posição de impressão e geometria da matriz no processo de extrusão polimérica com pellets visando a manufatura aditiva

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Oliveira, Renan Oscar de
Data de Publicação: 2023
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UFSCAR
Texto Completo: https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/17732
Resumo: The trend of additive manufacturing (AM), also known as 3D printing, has been gaining prominence in the industry in recent years, consequently, a growing front of studies has been conducted to ensure quality and productivity. There are several efforts in different directions to expand knowledge, breaking barriers in 3D printing, specifically in Fused Deposition Modeling (FDM), such as the manufacture of parts using directly fused pellets (FPM) and the increase of the dimensional scale of the printed parts, towards the production of large volume parts (LFAM-Large-Format Additive Manufacturing). Exploiting the advantages of 3D printing using polymeric pellet material directly, this study uses ABS (acrylonitrile butadiene styrene) as a raw material and a laboratory single-screw extruder to investigate the effects of flow rate on varying the print position and final geometry of the extruded filament as a function of the dedicated nozzle geometric shape. The patterns were analyzed from a series of 72 extrusion conditions. By collecting and analyzing the operating data, the linear relationship between screw rotation and extruder mass flow rate was confirmed, and it was possible to get the characteristic values of this equipment. The internal pressure in the screw is strongly influenced by the screw rotation speed. A variation of the density of the extruded material was identified at rotations lower than 20 rpm. For rotations equal to or greater than 20 rpm, a stability of the density is noted, confirming the rotation range of 30 - 60 rpm suggested by the manufacturer. From the geometric shape of the extruded filaments, it was evident the influence of the viscoelastic effect of the polymeric material (Barus effect) and proved its normal expansion ratio directly related to the geometric section shape of the nozzle, in agreement with the numerical simulations in previous studies. With the dedicated geometric nozzle shape, it was possible to extrude filaments with final quadratic geometry, which favors in decreasing the void density. The understanding and control of these phenomenons lead to advances and breakthroughs regarding the mastery of direct extrusion processes with polymer pellets in distinct printing positions, final extruded filament geometry, improved planar adhesion between strip and layer faces, and shorter extrusion time in medium and large formate 3D printing.
id SCAR_44a7ae0df60a00cb9f696ab187c30a08
oai_identifier_str oai:repositorio.ufscar.br:ufscar/17732
network_acronym_str SCAR
network_name_str Repositório Institucional da UFSCAR
repository_id_str 4322
spelling Oliveira, Renan Oscar deBarbosa, Gustavo Francohttp://lattes.cnpq.br/4027686840017498Shiki, Sidney Brucehttp://lattes.cnpq.br/0573973677787523http://lattes.cnpq.br/6323756803788316ee9d8c44-5c06-4dc7-a749-9e017cbfc4b72023-04-13T17:39:35Z2023-04-13T17:39:35Z2023-02-27OLIVEIRA, Renan Oscar de. Investigação dos efeitos da posição de impressão e geometria da matriz no processo de extrusão polimérica com pellets visando a manufatura aditiva. 2023. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2023. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/17732.https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/17732The trend of additive manufacturing (AM), also known as 3D printing, has been gaining prominence in the industry in recent years, consequently, a growing front of studies has been conducted to ensure quality and productivity. There are several efforts in different directions to expand knowledge, breaking barriers in 3D printing, specifically in Fused Deposition Modeling (FDM), such as the manufacture of parts using directly fused pellets (FPM) and the increase of the dimensional scale of the printed parts, towards the production of large volume parts (LFAM-Large-Format Additive Manufacturing). Exploiting the advantages of 3D printing using polymeric pellet material directly, this study uses ABS (acrylonitrile butadiene styrene) as a raw material and a laboratory single-screw extruder to investigate the effects of flow rate on varying the print position and final geometry of the extruded filament as a function of the dedicated nozzle geometric shape. The patterns were analyzed from a series of 72 extrusion conditions. By collecting and analyzing the operating data, the linear relationship between screw rotation and extruder mass flow rate was confirmed, and it was possible to get the characteristic values of this equipment. The internal pressure in the screw is strongly influenced by the screw rotation speed. A variation of the density of the extruded material was identified at rotations lower than 20 rpm. For rotations equal to or greater than 20 rpm, a stability of the density is noted, confirming the rotation range of 30 - 60 rpm suggested by the manufacturer. From the geometric shape of the extruded filaments, it was evident the influence of the viscoelastic effect of the polymeric material (Barus effect) and proved its normal expansion ratio directly related to the geometric section shape of the nozzle, in agreement with the numerical simulations in previous studies. With the dedicated geometric nozzle shape, it was possible to extrude filaments with final quadratic geometry, which favors in decreasing the void density. The understanding and control of these phenomenons lead to advances and breakthroughs regarding the mastery of direct extrusion processes with polymer pellets in distinct printing positions, final extruded filament geometry, improved planar adhesion between strip and layer faces, and shorter extrusion time in medium and large formate 3D printing.A tendência da manufatura aditiva (MA), também conhecida como impressão 3D, vem ganhando destaque na indústria nos últimos anos, consequentemente, uma crescente frente de estudos vem sendo realizada para garantir a qualidade e produtividade. Notam-se diversos esforços em direções distintas para ampliar o conhecimento, rompendo barreiras na impressão 3D, especificamente na modelagem por deposição de material fundido (FDM-Fused Deposition Modeling), como é o caso da confecção de peças utilizando diretamente o pellet fundido (FPM-Fused Pellet Modeling) e o aumento da escala dimensional das peças impressas, na direção de produzir peças de médio e grande volume (LFAM-Large-Format Additive Manufacturing). Aproveitando das vantagens da impressão 3D utilizando diretamente o material pellet polimérico, este estudo utiliza ABS (acrylonitrile butadiene styrene) como matéria-prima e uma extrusora mono-rosca de laboratório para investigar os efeitos da vazão na variação da posição de impressão e da geometria final do filamento extrudado em função da matriz de formato geométrico dedicado. Os padrões foram analisados a partir de uma série de 72 condições de extrusão. Pela coleta e análise dos dados de operação, confirmou-se a relação linear entre a rotação da rosca e a vazão mássica da extrusora, sendo possível levantar os valores característicos deste equipamento. A pressão interna na rosca é fortemente influenciada pela velocidade de rotação da rosca. Identificado uma variação da densidade do material extrudado em rotações menores que 20 rpm. Para rotações igual ou maiores de 20 rpm, nota-se uma estabilidade da densidade confirmando a faixa de rotação de 30-60 rpm sugerida pelo fabricante. Da geometria dos filamentos extrudados, ficou evidente a influência do efeito viscoelástico do material polimérico, inchamento do extrudado e comprovado sua relação de expansão normal diretamente relacionado com o formato da seção geométrica da matriz, alinhado com as simulações numéricas de estudos anteriores. Com a matriz de formato geométrico dedicado, foi possível extrudar filamentos com geometria final quadrática, que favorece na diminuição da densidade de vazios. O entendimento e controle destes fenômenos levam a avanços e descobertas em relação ao domínio dos processos de extrusão direta com polímeros pellets em posições distintas, geometria final do filamento extrudado, melhor adesão planar entre faces das faixas e camadas e menor tempo de extrusão em impressões 3D de médio e grande volume.Não recebi financiamentoporUniversidade Federal de São CarlosCâmpus São CarlosPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica - PPGEMecUFSCarAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessManufatura AditivaExtrusão (FDM)Polímeros Pellets (FPM)Posição de ExtrusãoMatriz de Extrusão CustomizadaGeometria do FilamentoENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::PROCESSOS DE FABRICACAOInvestigação dos efeitos da posição de impressão e geometria da matriz no processo de extrusão polimérica com pellets visando a manufatura aditivaInvestigation of the effects of printing position and die geometry in the polymeric extrusion process with pellets aiming at additive manufacturinginfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesis6006000bcdb739-8af4-4363-9334-bed5199d9bd3reponame:Repositório Institucional da UFSCARinstname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)instacron:UFSCARORIGINALRenan_Oliveira_PPGEMec_Dissertacao - BCO.pdfRenan_Oliveira_PPGEMec_Dissertacao - BCO.pdfDissertação de mestradoapplication/pdf18279963https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/17732/1/Renan_Oliveira_PPGEMec_Dissertacao%20-%20BCO.pdf944663563a585251a5ae8d31198eb609MD51CC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8810https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/17732/2/license_rdff337d95da1fce0a22c77480e5e9a7aecMD52TEXTRenan_Oliveira_PPGEMec_Dissertacao - BCO.pdf.txtRenan_Oliveira_PPGEMec_Dissertacao - BCO.pdf.txtExtracted texttext/plain104563https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/17732/3/Renan_Oliveira_PPGEMec_Dissertacao%20-%20BCO.pdf.txt93105679c39ffbc936eed220b743df51MD53THUMBNAILRenan_Oliveira_PPGEMec_Dissertacao - BCO.pdf.jpgRenan_Oliveira_PPGEMec_Dissertacao - BCO.pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg8920https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/17732/4/Renan_Oliveira_PPGEMec_Dissertacao%20-%20BCO.pdf.jpg22a383d68b8d8a702e65aa2debfa5f87MD54ufscar/177322023-09-18 18:32:36.562oai:repositorio.ufscar.br:ufscar/17732Repositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufscar.br/oai/requestopendoar:43222023-09-18T18:32:36Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)false
dc.title.por.fl_str_mv Investigação dos efeitos da posição de impressão e geometria da matriz no processo de extrusão polimérica com pellets visando a manufatura aditiva
dc.title.alternative.eng.fl_str_mv Investigation of the effects of printing position and die geometry in the polymeric extrusion process with pellets aiming at additive manufacturing
title Investigação dos efeitos da posição de impressão e geometria da matriz no processo de extrusão polimérica com pellets visando a manufatura aditiva
spellingShingle Investigação dos efeitos da posição de impressão e geometria da matriz no processo de extrusão polimérica com pellets visando a manufatura aditiva
Oliveira, Renan Oscar de
Manufatura Aditiva
Extrusão (FDM)
Polímeros Pellets (FPM)
Posição de Extrusão
Matriz de Extrusão Customizada
Geometria do Filamento
ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::PROCESSOS DE FABRICACAO
title_short Investigação dos efeitos da posição de impressão e geometria da matriz no processo de extrusão polimérica com pellets visando a manufatura aditiva
title_full Investigação dos efeitos da posição de impressão e geometria da matriz no processo de extrusão polimérica com pellets visando a manufatura aditiva
title_fullStr Investigação dos efeitos da posição de impressão e geometria da matriz no processo de extrusão polimérica com pellets visando a manufatura aditiva
title_full_unstemmed Investigação dos efeitos da posição de impressão e geometria da matriz no processo de extrusão polimérica com pellets visando a manufatura aditiva
title_sort Investigação dos efeitos da posição de impressão e geometria da matriz no processo de extrusão polimérica com pellets visando a manufatura aditiva
author Oliveira, Renan Oscar de
author_facet Oliveira, Renan Oscar de
author_role author
dc.contributor.authorlattes.por.fl_str_mv http://lattes.cnpq.br/6323756803788316
dc.contributor.author.fl_str_mv Oliveira, Renan Oscar de
dc.contributor.advisor1.fl_str_mv Barbosa, Gustavo Franco
dc.contributor.advisor1Lattes.fl_str_mv http://lattes.cnpq.br/4027686840017498
dc.contributor.advisor-co1.fl_str_mv Shiki, Sidney Bruce
dc.contributor.advisor-co1Lattes.fl_str_mv http://lattes.cnpq.br/0573973677787523
dc.contributor.authorID.fl_str_mv ee9d8c44-5c06-4dc7-a749-9e017cbfc4b7
contributor_str_mv Barbosa, Gustavo Franco
Shiki, Sidney Bruce
dc.subject.por.fl_str_mv Manufatura Aditiva
Extrusão (FDM)
Polímeros Pellets (FPM)
Posição de Extrusão
Matriz de Extrusão Customizada
Geometria do Filamento
topic Manufatura Aditiva
Extrusão (FDM)
Polímeros Pellets (FPM)
Posição de Extrusão
Matriz de Extrusão Customizada
Geometria do Filamento
ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::PROCESSOS DE FABRICACAO
dc.subject.cnpq.fl_str_mv ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::PROCESSOS DE FABRICACAO
description The trend of additive manufacturing (AM), also known as 3D printing, has been gaining prominence in the industry in recent years, consequently, a growing front of studies has been conducted to ensure quality and productivity. There are several efforts in different directions to expand knowledge, breaking barriers in 3D printing, specifically in Fused Deposition Modeling (FDM), such as the manufacture of parts using directly fused pellets (FPM) and the increase of the dimensional scale of the printed parts, towards the production of large volume parts (LFAM-Large-Format Additive Manufacturing). Exploiting the advantages of 3D printing using polymeric pellet material directly, this study uses ABS (acrylonitrile butadiene styrene) as a raw material and a laboratory single-screw extruder to investigate the effects of flow rate on varying the print position and final geometry of the extruded filament as a function of the dedicated nozzle geometric shape. The patterns were analyzed from a series of 72 extrusion conditions. By collecting and analyzing the operating data, the linear relationship between screw rotation and extruder mass flow rate was confirmed, and it was possible to get the characteristic values of this equipment. The internal pressure in the screw is strongly influenced by the screw rotation speed. A variation of the density of the extruded material was identified at rotations lower than 20 rpm. For rotations equal to or greater than 20 rpm, a stability of the density is noted, confirming the rotation range of 30 - 60 rpm suggested by the manufacturer. From the geometric shape of the extruded filaments, it was evident the influence of the viscoelastic effect of the polymeric material (Barus effect) and proved its normal expansion ratio directly related to the geometric section shape of the nozzle, in agreement with the numerical simulations in previous studies. With the dedicated geometric nozzle shape, it was possible to extrude filaments with final quadratic geometry, which favors in decreasing the void density. The understanding and control of these phenomenons lead to advances and breakthroughs regarding the mastery of direct extrusion processes with polymer pellets in distinct printing positions, final extruded filament geometry, improved planar adhesion between strip and layer faces, and shorter extrusion time in medium and large formate 3D printing.
publishDate 2023
dc.date.accessioned.fl_str_mv 2023-04-13T17:39:35Z
dc.date.available.fl_str_mv 2023-04-13T17:39:35Z
dc.date.issued.fl_str_mv 2023-02-27
dc.type.status.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/publishedVersion
dc.type.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/masterThesis
format masterThesis
status_str publishedVersion
dc.identifier.citation.fl_str_mv OLIVEIRA, Renan Oscar de. Investigação dos efeitos da posição de impressão e geometria da matriz no processo de extrusão polimérica com pellets visando a manufatura aditiva. 2023. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2023. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/17732.
dc.identifier.uri.fl_str_mv https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/17732
identifier_str_mv OLIVEIRA, Renan Oscar de. Investigação dos efeitos da posição de impressão e geometria da matriz no processo de extrusão polimérica com pellets visando a manufatura aditiva. 2023. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2023. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/17732.
url https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/17732
dc.language.iso.fl_str_mv por
language por
dc.relation.confidence.fl_str_mv 600
600
dc.relation.authority.fl_str_mv 0bcdb739-8af4-4363-9334-bed5199d9bd3
dc.rights.driver.fl_str_mv Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazil
http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/
info:eu-repo/semantics/openAccess
rights_invalid_str_mv Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazil
http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/
eu_rights_str_mv openAccess
dc.publisher.none.fl_str_mv Universidade Federal de São Carlos
Câmpus São Carlos
dc.publisher.program.fl_str_mv Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica - PPGEMec
dc.publisher.initials.fl_str_mv UFSCar
publisher.none.fl_str_mv Universidade Federal de São Carlos
Câmpus São Carlos
dc.source.none.fl_str_mv reponame:Repositório Institucional da UFSCAR
instname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)
instacron:UFSCAR
instname_str Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)
instacron_str UFSCAR
institution UFSCAR
reponame_str Repositório Institucional da UFSCAR
collection Repositório Institucional da UFSCAR
bitstream.url.fl_str_mv https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/17732/1/Renan_Oliveira_PPGEMec_Dissertacao%20-%20BCO.pdf
https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/17732/2/license_rdf
https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/17732/3/Renan_Oliveira_PPGEMec_Dissertacao%20-%20BCO.pdf.txt
https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/17732/4/Renan_Oliveira_PPGEMec_Dissertacao%20-%20BCO.pdf.jpg
bitstream.checksum.fl_str_mv 944663563a585251a5ae8d31198eb609
f337d95da1fce0a22c77480e5e9a7aec
93105679c39ffbc936eed220b743df51
22a383d68b8d8a702e65aa2debfa5f87
bitstream.checksumAlgorithm.fl_str_mv MD5
MD5
MD5
MD5
repository.name.fl_str_mv Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)
repository.mail.fl_str_mv
_version_ 1813715662329085952