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Development of a Non-Planar Slicing Method for Manufacturing of Fused Filament Fabrication Parts with a 6-Axis Robotic System

Gabriel Chenier

Master's thesis (2023)

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Abstract

Fused filament fabrication (FFF) is one additive manufacturing technology (AM) type that can create parts of all shapes using thermoplastic polymer layers by extruding molten polymer material through a nozzle to fabricate parts one layer at a time from the bottom up, following manufacturing instructions created by a process called slicing. Readily available FFF slicers, such as Cura, use planar slicing to decompose a 3D model into a series of flat layers. Planar slicing has some limitations, notably the staircase effect, causing poor surface quality and inaccurate representation of their 3D model. Additionally, FFF parts have distinct anisotropic mechanical properties due to the weaker adhesion between the layers. Research groups have devised non-planar approaches to address these limitations, such as G. Zhao et al. (2018), who used cylindrical transformations to curve G-Code sliced using planar slicers. This project aims to use non-planar 3D printing to manufacture advanced composite structures with acoustic features for use inside aircraft engines. However, the lack of adaptability of existing non-planar methods renders them unsuitable to meet this project's needs. Printing complex parts with multiple functional features and conforming to the complex aerodynamic surfaces inside modern aircraft engines requires the development of a new non-planar slicing method. The non-planar slicing method called Curved Layer Mesh Slicing (CLMS) was developed based on mesh-mesh intersection operations. CLMS can slice 3D mesh models for 3D printing into a series of curved layers using curved surface meshes. For each layer, outline and infill toolpaths are computed, then FFF-specific variables and toolpath coordinates are written into G-Code files for use with conventional 3D printers and 6-axis robotic arms. Mechanical testing on test specimens made out of polyether ether ketone (CFR-PEEK) showed a 25% increase in mechanical performance, and 3D scans showed a significant decrease in surface deviation from the original 3D model compared to specimens prepared with planar slicers. The applicability of CLMS was demonstrated by the production of a double-curved sandwich panel in polylactic acid (PLA) and a sound-dampening panel for use in aircraft using CFR-PEEK. Both were successfully manufactured with curved surfaces generally within ±0.2mm geometric deviation interval while also revealing interesting manufacturing defects specific to manufacturing non-planar structures and using CFR-PEEK.

Résumé

La fabrication par dépôt de fil fondu (FFF, de fused filament fabrication) est une technique de fabrication additive (FA) capable de produire des pièces de toutes formes par l’extrusion de couches de matière thermoplastique à travers une buse chauffée. Les pièces sont produites par l’addition subséquente de couche en suivant les instructions de fabrication générée par un processus appelé, découpage (slicing en anglais). Les logiciels de découpage disponible, tel que Cura, utilisent une série de plans pour décomposer des modèles 3D de pièce en une série de couches plane. Le découpage plan a certaines limitations, notamment, l’effet d’escalier, qui cause un mauvais fini de surface et une représentation inexacte de leur modèle 3D. En plus, les pièces produites par FFF présentent des propriétés mécaniques anisotropes dues à une adhésion intercouche incomplète. Des groupes de recherches ont développé des méthodes de découpage non-plan, pour adresser les limitations imposées, par le processus plan. Des auteurs tels que G. Zhao et coll. (2018) ont utilisé des transformations cylindriques pour courber du Code-G préparé par des logiciels de découpage planaire. Ce projet cherche à tirer avantage de l’impression 3D, non-planaire pour produire des structures acoustiques en composite pour l’utilisation à l’intérieur de moteurs d’avion. Cependant, les technologies d’impression non-plan existante ne peuvent pas être adaptées au besoin du projet. L’utilisation d’impression non-plan pour fabriquer des pièces avec des géométries acoustiques complexes qui ce conforme aux surfaces complexes des moteurs d’avion moderne demandent le développement d’une nouvelle méthode de découpage non-plan. Basé sur des opérations d’intersection maillage-maillage, la méthode, intitulé découpage de couche par maillage courbé (CLMS, de curved layer mesh slicing) a été développé. Cette méthode permet le découpage de modèle 3D maillé par une série de surfaces maillé, résultant en des couches courbées suivant la forme des surfaces. Des parcours d’outils pour le périmètre et le remplissage de la pièce sont calculés pour chaque couche à l’aide d’opération d’intersection de maillage. Les variables de fabrication spécifique à la FFF et les coordonnées des points constituant les parcours d’outils sont ensuite écrites dans un Code-G pour être exécutées par une imprimante 3D traditionnelle ou un bras robotique à 6-axes. Des essaies de caractérisation mécanique sur des échantillons en polyétheréthercétone renforcé de fibre de carbone ont démontré 28% plus de rigidité et des analyses de numérisations 3D ont démontré une réduction significative de la rugosité de surface que des échantillons préparés avec des méthodes de découpage planaire. L’applicabilité de la méthode CLMS est démontrée par la production d’un panneau sandwich doublement courbé en acide polylactique et d’un panneau acoustique en polyétheréthercétone renforcé de fibre de carbone. Les deux panneaux ont été fabriqués avec succès, leurs surfaces courbes étant à l’intérieur d’une tolérance de ±0.2mm et ont aussi révélé des défauts intéressants propres à l’impression 3D non-planaire et utilisant des matériaux composites.

Department: Department of Mechanical Engineering
Program: Génie mécanique
Academic/Research Directors: Daniel Therriault and Martin Lévesque
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/53473/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 13 Nov 2023 10:28
Last Modified: 07 Apr 2024 17:47
Cite in APA 7: Chenier, G. (2023). Development of a Non-Planar Slicing Method for Manufacturing of Fused Filament Fabrication Parts with a 6-Axis Robotic System [Master's thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/53473/

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