Investigation of low-pressure environment to alter layer temperature of high-performance polymer parts printed with Fused Filament Fabrication

Abstract

Additiv fremstilling (AM) av høytytende polymer (HPP) ved bruk av Fused Filament Fabrication (FFF) har kommet langt, men sliter fortsatt med å produsere store komponenter med best mulige materialegenskaper. Den mest betydelige begrensningen er behovet for høy utskriftshastighet for å skrive ut lagene i tide før det forrige laget kjøles ned for mye og bindingen mellom lagene blir svak. Dette prosjektet prøver å løse dette problemet ved å redusere kjølingseffektene av de printede komponentene ved bruk av et lavtrykksmiljø. Ved å bruke et stort vakuumkammer for en Voron V0.1 FFF-skriver og et mindre, oppvarmet vakuumkammer for å tørke Polyamide6 - Carbon Fiber (PA6-CF) før utskrift, ble lavtrykkseffektene testet og ga lovende resultater. Lagtemperaturen økte nærmest eksponentielt med lavere trykk. Det ble også funnet at komponenter med høyt overflateareal til volumforhold hadde størst nytte av lavtrykkseffektene, med den høyeste temperaturforskjellen mellom lagene på 42,7 °C. Å bruke et lavtrykksmiljø introduserte imidlertid nye utfordringer i form av høyere anisotropi enn vanlig for FFF med HPP, med et stort antall hulrom introdusert i prøvene. For å fullt ut forstå årsakene til den økte anisotropien, kreves videre undersøkelser av tilsetningsstoffene i HPP og deres effekter i et lavtrykks-, høytemperaturmiljø.

Additive Manufacturing (AM) of High-Performance Polymer (HPP) by use of Fused Filament Fabrication (FFF) has come a long way but is still having issues with producing large parts with optimal material properties. The most significant limiting factor is the need for high printing speeds to print the layers in time before the previous layer cools too much and the bonding between layers becomes weak. This project attempts to solve this issue by reducing the cooling effects of the printed components by use of a low-pressure environment. Using a large vacuum chamber for a Voron V0.1 FFF printer and a smaller, heated vacuum chamber for drying Polyamide6 - Carbon Fiber (PA6-CF) prior to printing, the low-pressure environment theory was tested and found promising results. The layer temperature increased close to exponentially with the decrease in pressure. It was also found that components with a high surface area to volume ratio benefited the most from the low-pressure effects, with the highest layer temperature difference being 42.7◦C. Using a low-pressure environment also introduced new challenges in the form of higher anisotropy than usual for FFF with HPP with a large number of voids introduced in the specimens. To fully understand the reasoning behind the increased anisotropy, further investigation into the additives of HPP and their effects in a low-pressure, high-temperature environment is required.