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

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.