In-situ real-time monitoring of additively manufactured polymeric and composite structures using fiber Bragg grating sensors

Abstract

Fused Deposition Modeling (FDM) is one of the most commonly utilized low-cost and promising processes included in the category of Additive Manufacturing (AM) that employs polymer-based filaments as feedstock materials to fabricate physical objects through a layer-by-layer deposition process. FDM has already found its possible applications in several industrial fields due to its safe and simple fabrication process, inexpensive machinery, as well as low maintenance and material costs. Although the FDM process has presented enormous progress over the last two decades, there are still challenges regarding the quality, consistency and repeatability of the printed parts that dramatically impede the technology’s broad adoption and employment for the manufacturing of finished components ready for use. Most of the process defects in FDM built parts are strongly associated with the nature of the process itself. In particular, the inherently developed temperature variations, non-uniform thermal gradients and the process induced residual strains within the FDM parts are of utmost importance, since these parameters significantly affect the final structures’ quality and overall performance. In the scope of optimizing the FDM technique for achieving higher levels of part quality and repeatability, the development of accurate and reliable sensing methods and tools for in-situ process monitoring and for effective quality control of the printed structures is increasingly demanded. This topic poses a great challenge, while is considered as a high priority area for research.The current thesis work aims to shed light on this challenging topic through the development of a sophisticated and reliable sensing method, predominantly involving single-point and multiplexed fiber Bragg gratings (FBGs), as well as temperature measuring sensors for in-situ and real-time monitoring of the temperature profiles and the residual strains developed within pure thermoplastic parts and continuous fiber reinforced thermoplastic composites (CFRTPCs) fabricated via the FDM technique. The embedded FBG sensors are also used for identifying the post-fabrication induced strain magnitudes at the free-standing state of the structures and for measuring the host materials’ coefficients of thermal expansion (CTEs), when the parts are subjected to thermal cycling tests.More specifically, the specimens built in the present work are divided into three main categories: 1) Pure thermoplastic blocks, 2) Pure thermoplastic square thin plates and 3) Continuous fiber reinforced thermoplastic composite (CFRTPC) blocks. A methodology is developed and followed for the sensors’ accurate embedment within all considered FDM-fabricated test samples, whose steps are described in detail in Chapter 4 of the thesis. As far as the thermoplastic block samples are concerned, the effect on the developed strains as a result of the specimens’ position onto the build platform and the optical fibers’ embedment direction within the parts is also investigated. Additionally, a methodology is presented for simultaneous monitoring of strain and temperature profiles from the recorded spectrum of the embedded optical fibers, when the deposited material remains close to its glass transition temperature and it is not exposed to steep temperature changes. The post-fabrication induced strain magnitudes are determined based on intra- and inter-layer wavelength measurements derived by FBG sensors integrated within the block samples’ 3rd or 21st layer and within the 3rd, 21st and 39th layers, respectively. The results indicate that the parts’ build orientation onto the platform affects the temperature profiles developed during the printing procedure and consequently, the in- and post-process induced residual strains. Significant strain magnitudes are generated within the specimens during the fabrication process, while the inter-layer wavelength measurements obtained at the samples’ free-standing state indicate the presence of warpage. With respect to the 3D printed thermoplastic square thin plates, an array of single-point and multiplexed optical fibers as well as thermocouple sensors is integrated within the parts’ midplane, allowing for real-time mapping of the process induced temperature profiles and strain variations throughout the whole FDM fabrication process. The influence of the Bragg gratings’ embedment direction on the calculated residual strains is also investigated through the incorporation of gratings in different orientations (i.e. 0°, +45° and 90°) within positions located at the same plate regions. Based on the obtained results uniform temperature profiles are displayed in the structures’ middle section, while maximum temperature values are recorded at locations close to the plates’ corners. Moreover, the conducted experiments demonstrate the FBG sensors’ ability to determine the in-and post-process induced residual strains. The effect of fiber orientation and type on the induced temperature profiles, residual strains and thermal expansion behavior is identified for the 3D printed CFRTPC block samples. Significant information is obtained about the composites’ thermal expansion behavior based on the wavelength measurements recorded by the integrated FBG sensors during thermal cycling testing. Finally, it is shown that the fiber reinforcement within the FDM-fabricated composite parts significantly reduces the in- and post-process induced residual strain magnitudes, when compared to the corresponding ones calculated for the pure thermoplastic block specimens.

Η Μοντελοποίηση με Εναπόθεση τηγμένου υλικού (ΜΕ) είναι μία από τις πιο κοινώς χρησιμοποιούμενες, χαμηλού κόστους και αρκετά υποσχόμενες τεχνικές από αυτές που υπάγονται στην ευρύτερη τεχνολογία της Προσθετικής Κατασκευής (ΠΚ), η οποία βασίζεται στη χρήση πολυμερικών νημάτων για τη δημιουργία φυσικών αντικειμένων μέσω μία διαδικασίας συνεχόμενης στρωματικής εναπόθεσης υλικού. Η τεχνική ΜΕ έχει ήδη βρει εφαρμοσιμότητα σε διάφορα βιομηχανικά πεδία λόγω της ασφαλούς και εύκολης κατασκευαστικής διαδικασίας που ακολουθεί, των φθηνών διατιθέμενων εκτυπωτών, καθώς και του χαμηλού κόστους υλικών και συντήρησης του εξοπλισμού. Παρά το γεγονός ότι η συγκεκριμένη τεχνική έχει παρουσιάσει τεράστια πρόοδο τις τελευταίες δύο δεκαετίες υπάρχουν ακόμα κάποια ζητήματα τα οποία σχετίζονται με την ποιότητα, τη συνέπεια και επαναληψιμότητα των εκτυπωμένων δομών, τα οποία εμποδίζουν δραματικά την ευρύτερη υιοθέτηση και εφαρμογή της συγκεκριμένης τεχνολογίας για την κατασκευή τελικών εξαρτημάτων έτοιμων προς χρήση. Τα περισσότερα από τα ελαττώματα που παρουσιάζονται στις δομές που παράγονται μέσω της ΜΕ τεχνικής συνδέονται σε μεγάλο βαθμό με τη φύση της ίδιας της κατασκευαστικής διαδικασίας. Πιο συγκεκριμένα, οι εγγενείς αναπτυσσόμενες θερμοκρασιακές διακυμάνσεις, οι ανομοιόμορφες θερμικές βαθμίδες και οι εναπομένουσες παραμορφώσεις μέσα στις δομές λόγω της κατασκευαστικής διαδικασίας είναι ιδιαίτερα σημαντικές, καθώς οι συγκεκριμένες παράμετροι επηρεάζουν δραστικά την ποιότητα και απόδοση των τελικών εκτυπωμένων αντικειμένων. Στο πλαίσιο της βελτιστοποίησης της τεχνολογίας ΜΕ για την επίτευξη υψηλότερων επιπέδων ποιότητας και επαναληψιμότητας των δομών, απαιτείται όλο και περισσότερο η ανάπτυξη ακριβών και αξιόπιστων μεθόδων και εργαλείων ανίχνευσης για επιτόπια παρακολούθηση της διαδικασίας και για αποτελεσματικό ποιοτικό έλεγχο των εκτυπωμένων αντικειμένων. Το θέμα αυτό αποτελεί μια μεγάλη πρόκληση, ενώ θεωρείται τομέας υψηλής προτεραιότητας προς έρευνα. Η παρούσα εργασία αποσκοπεί στο να ρίξει φως σε αυτό το απαιτητικό και δύσκολο αντικείμενο μελέτης, μέσω της ανάπτυξης μιας προηγμένης και αξιόπιστης μεθόδου ανίχνευσης, η οποία κατά κύριο λόγο περιλαμβάνει σημειακούς και πολλαπλούς οπτικούς αισθητήρες Bragg, καθώς και αισθητήρες μέτρησης της θερμοκρασίας για επιτόπια και σε πραγματικό χρόνο παρακολούθηση των θερμοκρασιακών προφίλ και εναπομενουσών παραμορφώσεων που αναπτύσσονται σε καθαρά πολυμερικές δομές, όπως επίσης και σε σύνθετες δομές με μήτρα από θερμοπλαστικό υλικό και ενίσχυση συνεχούς ίνας, οι οποίες κατασκευάζονται μέσω της τεχνικής ΜΕ. Οι ενσωματωμένοι οπτικοί αισθητήρες Bragg χρησιμοποιούνται επίσης για διερεύνηση των εναπομενουσών παραμορφώσεων που προκύπτουν μετά το τέλος της κατασκευαστικής διαδικασίας, όταν οι δομές είναι πλήρως αποκολλημένες από την πλατφόρμα εκτύπωσης, όπως επίσης και για τη μέτρηση των συντελεστών θερμικής διαστολής των προαναφερόμενων δομών, όταν αυτές υποβάλλονται σε δοκιμές θερμικού κύκλου. Συγκεκριμένα, τα δοκίμια που κατασκευάστηκαν στην παρούσα εργασία χωρίζονται σε τρεις κύριες κατηγορίες: 1) Δοκίμια ορθογωνικής διατομής και μεγάλου πάχους από θερμοπλαστικό υλικό, 2) Τετράγωνες πλάκες μικρού πάχους από θερμοπλαστικό υλικό και 3) Δοκίμια ορθογωνικής διατομής και μεγάλου πάχους από σύνθετα υλικά με μήτρα από θερμοπλαστικό υλικό και ενίσχυση συνεχούς ίνας. Επισημαίνεται ότι για να επιτευχθεί ακριβής ενσωμάτωση των αισθητήρων μέσα σε όλες τις δομές που κατασκευάσθηκαν και μελετήθηκαν, αναπτύχθηκε μία συγκεκριμένη μεθοδολογία, τα βήματα της οποίας περιγράφονται λεπτομερώς στο κεφάλαιο 4 της εργασίας. Όσον αφορά τα δοκίμια ορθογωνικής διατομής και μεγάλου πάχους από θερμοπλαστικό υλικό, σημειώνεται ότι η επίδραση της διεύθυνσης εκτύπωσης των δομών στην πλατφόρμα χτισίματος και της κατεύθυνσης ενσωμάτωσης των οπτικών ινών μέσα στις δομές, όσον αφορά τις αναπτυσσόμενες παραμορφώσεις, αποτέλεσε αντικείμενο εκτενούς μελέτης. Επιπλέον, παρουσιάζεται η μεθοδολογία που αναπτύχθηκε, με σκοπό την ταυτόχρονη παρακολούθηση των θερμοκρασιακών προφίλ και παραμορφώσεων στις δομές, βάσει των καταγεγραμμένων δεδομένων από τις ενσωματωμένες οπτικές ίνες, όταν το εναποτιθέμενο υλικό παραμένει κοντά στη θερμοκρασία της υαλώδους μετάπτωσής του και δεν εκτίθεται σε απότομες θερμοκρασιακές διακυμάνσεις. Τα μεγέθη των εναπομενουσών παραμορφώσεων μετά το τέλος της κατασκευαστικής διαδικασίας προσδιορίζονται με βάση τις εντός και μεταξύ των στρώσεων μετρήσεις του μήκους κύματος, οι οποίες λαμβάνονται από τους οπτικούς αισθητήρες Bragg που είναι ενσωματωμένοι στην 3η ή 21η στρώση των μπλοκ δοκιμίων και εντός της 3ης, 21ης και 39ης στρώσης, αντίστοιχα. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι ο προσανατολισμός εκτύπωσης των δοκιμίων πάνω στην πλατφόρμα επηρεάζει άμεσα τα προφίλ της αναπτυσσόμενης θερμοκρασίας κατά τη διάρκεια της εκτύπωσης και κατά συνέπεια, τις εναπομένουσες παραμορφώσεις που προκύπτουν τόσο κατά την πραγματοποίηση, όσο και μετά το πέρας της κατασκευαστικής διαδικασίας. Σημαντικά είναι τα μεγέθη των εναπομενουσών παραμορφώσεων που δημιουργούνται εντός των δοκιμίων κατά την διάρκεια της εκτύπωσης, ενώ οι μετρήσεις του μήκους κύματος που λαμβάνονται μεταξύ των στρώσεων στην πλήρως ελεύθερη κατάσταση των δομών (μετά την αποκόλλησή τους από την πλατφόρμα) υποδηλώνουν την παρουσία στρέβλωσης.Όσον αφορά τις τρισδιάστατα εκτυπωμένες λεπτές πλάκες από θερμοπλαστικό υλικό, μια σειρά σημειακών και πολλαπλών αισθητήρων Bragg, καθώς και θερμοζευγών ενσωματώθηκε στη μεσαία στρώση των δομών, επιτρέποντας τη χαρτογράφηση σε πραγματικό χρόνο των θερμοκρασιακών προφίλ και των παραμορφώσεων που προκαλούνται λόγω της ME κατασκευαστικής διαδικασίας καθ’ όλη τη διάρκεια της εκτύπωσης. Επιπλέον, η επίδραση της κατεύθυνσης ενσωμάτωσης των φραγμάτων Bragg στις εναπομένουσες παραμορφώσεις διερευνάται εκτενώς μέσω της ενσωμάτωσης των αισθητήρων σε διαφορετικούς προσανατολισμούς μέσα στις πλάκες (δηλ. 0°, +45° και 90°). Με βάση τα ληφθέντα αποτελέσματα παρατηρείται ότι ομοιόμορφα προφίλ θερμοκρασίας αναπτύσσονται στο κέντρο των δομών, ενώ μέγιστες τιμές θερμοκρασίας καταγράφονται σε περιοχές που είναι κοντά στις γωνίες των πλακών. Επίσης, τα αποτελέσματα από τα πειράματα που πραγματοποιήθηκαν δείχνουν την ικανότητα των οπτικών αισθητήρων Bragg να προσδιορίζουν το μέγεθος των εναπομενουσών παραμορφώσεων που αναπτύσσονται κατά τη διάρκεια της ΜΕ διαδικασίας, όπως επίσης και των τελικών παραμορφώσεων μετά το πέρας της εκτύπωσης. Στα δοκίμια ορθογωνικής διατομής και μεγάλου πάχους από σύνθετα υλικά μελετάται η επίδραση του προσανατολισμού εκτύπωσης και του τύπου των ινών στις προκληθείσες διακυμάνσεις θερμοκρασίας, στις εναπομένουσες παραμορφώσεις και στη συμπεριφορά της θερμικής διαστολής των δομών. Σημαντικές πληροφορίες λαμβάνονται σχετικά με τη συμπεριφορά της θερμικής διαστολής των τρισδιάστατα εκτυπωμένων σύνθετων, βάσει τις μετρήσεις μήκους κύματος που καταγράφονται από τους ενσωματωμένους οπτικούς αισθητήρες Bragg, κατά τη διάρκεια των δοκιμών θερμικού κύκλου. Τέλος, τα αποτελέσματα υποδεικνύουν το σημαντικό ρόλο που παίζει η ενίσχυση συνεχούς ίνας μέσα στις τρισδιάστατα εκτυπωμένες σύνθετες δομές, όσον αφορά τη μείωση του μεγέθους των εναπομενουσών παραμορφώσεων, σε σύγκριση με τα αντίστοιχα μεγέθη που υπολογίστηκαν για τα δοκίμια ορθογωνικής διατομής και μεγάλου πάχους από καθαρό θερμοπλαστικό υλικό.