Process-induced effects in material extrusion: From G-Code to printed polymer component

Steigende Anforderungen an Funktionalität und Effizienz erfordern flexible und wirtschaftliche Fertigungstechnologien, insbesondere für komplexe Bauteile in kleinen Stückzahlen. Das Materialextrusionsverfahren (MEX) als additiver Fertigungsprozess bietet hierfür großes Potenzial, da es die werkzeuglose Herstellung geometrisch anspruchsvoller, anwendungsspezifischer Komponenten direkt aus digitalen Modellen ermöglicht. Die industrielle Nutzung von MEX wird jedoch durch die komplexe Wechselwirkung zwischen Materialverhalten, Prozessparametern und maschinenspezifischen Einflüssen erschwert. ... mehrDieses Zusammenspiel und der schichtweise Materialauftrag führen zwangsläufig zu anisotropen mechanischen Eigenschaften, die stark von Material- und Prozessparametern abhängen, und können zusätzlich zu prozessbedingten Fehlern wie unzureichender Stranghaftung oder Deformation führen.

Diese Arbeit adressiert diese Herausforderungen durch die Entwicklung experimenteller, analytischer und numerischer Methoden zur Verbesserung der Vorhersagegenauigkeit von MEX-Prozessen. Im Fokus stehen vier zentrale Fragestellungen: (1) die Auswirkung der Firmware-Interpretation von G-Code auf die reale Düsenbewegung und lokale Prozessbedingungen, (2) die zuverlässige Charakterisierung von Materialeigenschaften unter realen MEX-Prozessbedingungen, (3) die Berücksichtigung struktureller Anisotropie in Prozesssimulationen ganzer Bauteile zur Vorhersage prozessinduzierter Deformation, sowie (4) die Kopplung hochauflösender kleinskaliger Modelle mit Simulationen auf Bauteilebene in einem multiskaligen Framework.

Im ersten Teil wird ein Simulationsframework entwickelt, das die reale Düsenbewegung unter Berücksichtigung firmware-spezifischer Bewegungsplanung (z.B. Beschleunigungsgrenzen) rekonstruiert. Es quantifiziert Abweichungen zwischen den im Slicer eingestellten Prozessbedingungen und den tatsächlich realisierten lokalen Bedingungen, sodass Prozesssimulationen die real implementierte Düsenbewegung berücksichtigen und Vorhersagen zu Material- und Bauteileigenschaften verbessern können.

Der zweite Teil widmet sich der mechanischen Charakterisierung PLA-basierter MEX-Bauteile. Verschiedene Probenpräparationsmethoden werden hinsichtlich Reproduzierbarkeit und Repräsentativität verglichen. Gefräste Zugproben aus gedruckten Platten liefern besonders zuverlässige Ergebnisse, die als Grundlage für Materialmodelle dienen und Inkonsistenzen in der Literatur adressieren.

Der dritte Teil der Arbeit widmet sich der Abbildung der prozesstypischen strukturellen Anisotropie in Prozesssimulationen ganzer Bauteile zur Vorhersage prozessinduzierter Deformation. Hierzu wird ein Homogenisierungsansatz entwickelt, der auf Orientierungstensoren zweiter und vierter Ordnung basiert. Die lokale Strangausrichtung wird aus dem G-Code abgeleitet und in finite Elemente überführt, wodurch lokale Steifigkeitsverteilungen realitätsnah abgebildet werden können. Experimentelle Untersuchungen und numerische Studien bestätigen die Relevanz der berücksichtigten Effekte.

Im vierten Teil wird ein multiskaliger Simulationsansatz vorgestellt, der Prozesssimulationen auf Bauteilebene mit hochauflösenden kleinskaligen Modellen koppelt. Mittels Submodellierung werden zeitabhängige Randbedingungen aus der großskaligen Simulation auf lokale Detailbereiche übertragen. Die Methode wird numerische verifiziert und experimentell validiert. Der Multiskalenansatz erlaubt die präzise Vorhersage lokaler Temperaturverläufe und Effekte wie Grenzflächenfestigkeiten innerhalb ganzer Bauteile.

Insgesamt liefert die Arbeit einen Beitrag zur physikalisch fundierten Simulation von MEX-Prozessen. Die entwickelten Methoden ermöglichen eine präzisere Abbildung prozessinduzierter Effekte und bilden die Grundlage für effiziente virtuelle Prozessketten zur Auslegung und Fertigung individualisierter Polymerbauteile.

Growing demands for functionality and efficiency require flexible and economical manufacturing technologies, particularly for complex components produced in small quantities. Material extrusion (MEX), an additive manufacturing process, offers great potential in this regard, enabling the tool-free production of application-specific, geometrically sophisticated components directly from digital models. However, the industrial application of MEX is challenged by the complex interplay between material behavior, process parameters, and machine-specific influences. This interplay, combined with the layer-by-layer material deposition, inherently produces anisotropic mechanical properties that are strongly dependent on material and process parameters, and may also result in process-induced defects such as poor strand adhesion or deformation.
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This thesis addresses these challenges by developing experimental, analytical, and numerical methods to improve the predictive accuracy for MEX processes. The focus is on four central questions: (1) the effect of firmware interpretation of G-Code on real nozzle motion and local process conditions, (2) the reliable material
characterization of components printed under real MEX conditions, (3) the consideration of structural anisotropy in process simulations of entire components, and (4) the coupling of simulations at the component level with high-resolution small-scale models in a multiscale framework.

The first part of the work involves developing a simulation framework that reconstructs real nozzle motion while considering firmware-specific motion planning, such as acceleration limits. The framework enables the quantification and analysis of deviations between the process conditions set in the slicer and the actual local conditions realized during printing. This capability allows process simulations to incorporate the real implemented nozzle motion, improving the accuracy of predictions for process behavior and the resulting material and component properties.

The second part involves developing a standardized test procedure for mechanically characterizing PLA-based MEX components. Various specimen preparation methods are compared based on the reproducibility and representativeness of the determined mechanical properties. The results show that milled tensile specimens from printed plates are particularly suitable. Formulated recommendations provide a reliable basis for characterization and address inconsistencies in the literature.

The third part of the work maps the structural anisotropy typical of the process in simulations of entire components to predict process-induced deformation. To this end, a homogenization approach based on second- and fourth-order orientation tensors is developed. The local strand orientation is derived from the G-Code and converted into finite elements, which allows for realistic mapping of local stiffness distributions. Experimental investigations and numerical studies confirm the relevance of the considered effects.

The fourth part presents a multiscale simulation approach that couples process simulations at the component level with high-resolution small-scale models. Submodeling is used to transfer time-dependent boundary conditions from the large-scale simulation to local detail areas. This method is numerically verified and experimentally validated. This approach enables precise and still efficient prediction of local temperature profiles and local effects, such as interface strengths, within entire components.

Overall, this thesis contributes to the physic-based simulation of MEX processes. The developed methods enable more precise prediction of process-induced effects and lay the groundwork for efficient virtual process chains for designing and manufacturing customized polymer components.