Key features of materials for the fused deposition modelling process

Abstract

In this work, different acrylonitrile butadiene styrene (ABS) samples (grades) are studied in order to check if the ABS used in the fused deposition modelling process has some special characteristics, or, any ABS material can be used instead. The different samples of ABS used in this study include a commercial ABS in the form of pellets used for conventional polymer processing and three ABS samples in the form of filaments that are used in different fused deposition modelling processes. The rheological characterization of these materials is done using a stress controlled rotational rheometer (Paar Physica MCR 300) and a twin bore capillary rheometer (Rosand RH10). From the rheological characterization one could find that the pelleted ABS sample is much more viscous and elastic then the other three samples of ABS. Therefore, only two different ABS samples were used for 3D printing of pre-defined geometry specimens using the fused deposition modelling process (the pelleted ABS and one of the ABS samples in the form of filament). These 3D printed specimens were mechanically and optically analysed using the universal testing machine, INSTRON 4505, the stereoscopic magnifying glass Olympus and the digital camera Leica. This way the sintering and adhesion achieved between the extruded filaments of feedstock material for the different samples could be evaluated, and, the results obtained revealed to be in accordance with the statements made based on the rheological results. Lastly, the numerical modelling of the flow of the polymer melt in the nozzle (liquefier) of the fused deposition modelling machine was performed, in order to check the differences between the two different materials behaviour. It was concluded that the ABS used in fused deposition modelling process needs to have pre-defined controlled rheology.

Neste trabalho, diferentes tipos de amostras de acrilonitrilo-butadieno-estireno (em inglês acrylonitrile butadiene styrene (ABS)) são estudados com o intuito de verificar se o ABS usado no processo de FDM (em ingês Fused Deposition Modelling), tem ou não características especiais, ou, qualquer tipo de ABS pode ser usado neste processo de impressão. As diferentes amostras de ABS usadas neste estudo são: o ABS comercial na fórmula de grânulos, que normalmente é usado nos processos convencionais de processamento, e, três amostras de ABS na forma de filamentos, que, são usados em diferentes processos de FDM. A caracterização reológica destes materiais é feita usando um reómetro rotacional de tensão controlada (Paar Physica MCR 300) e ainda um reómetro capilar (Rosand RH10). Dos resultados obtidos através da caracterização reológica foi possível concluir que o ABS na fórmula de grânulos é muito mais viscoso e elástico que as outras três amostras de ABS. Então, por forma a evitar o tratamento demasiado extensivo dos resultados, apenas duas amostras foram impressas na impressora 3D usando o método de FDM (para a impressão de objectos com geometria predefinida). As amostras escolhidas foram então o ABS na fórmula de grânulos e uma das amostras de ABS na forma de filamento. As geometrias impressas foram submetidas a testes mecânicos e ópticos usando a máquina INSTRON 4505, usando a lupa estereoscópica da Olympus e a câmara digital Leica. Desta forma, foi possível avaliar a qualidade de sinterização e adesão entre os filamentos extrudidos, para as diferentes amostras. Os resultados obtidos revelaram estar de acordo com as conclusões tiradas através dos resultados reológicos. Neste trabalho foi ainda feito um estudo de modelação numérica do polímero “fundido” no interior da impressora, permitindo assim fazer uma análise detalhada do escoamento nesta geometria, para as duas amostras estudadas. Como conclusão final, podemos dizer que o ABS usado no processo de FDM necessita de uma reologia pré-definida.