A methodology for consistent filament production for fused filament fabrication
Juntunen, Freija (2026)
Kandidaatintyö
2026
School of Energy Systems, Konetekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2026042433976
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2026042433976
Tiivistelmä
FFF 3D printing is a growing and well researched manufacturing method, which aims to reduce the ecological footprint of plastic products. Filament materials are seeing a shift towards biofriendly materials, which includes polymer matrix composite materials. One of the most popular polymers used in the creation of composites is PLA, which is a plant sugar derived thermoplastic. Filament is manufactured with filament extruders, which are used in creating novel composites.
This study aims to create filament spools that have a stable diameter using the Taguchi methods. Filament is manufactured with a benchtop filament extruder system. The control parameters considered are extrusion temperature, extrusion speed, cooling speed, filament pulling speed. Filament quality is assessed with flexural testing.
Results show that temperature has the greatest impact on filament consistency regardless of the extruded material. Extrusion speed is second most important for harder materials like PA and PLA, while softer materials are not affected as much. Filament pulling speed is crucial for softer materials like TPU, while harder materials are not as affected. Cooling rate has the lowest impact of all control parameters regardless of the polymer. Taguchi methods are deemed insufficient for proposing parameter combinations that give consistent filament results. FFF 3D-tulostaminen on kasvava ja kattavasti tutkittu valmistusmenetelmä, joka pyrkii vähentämään muovituotteiden ekologista jalanjälkeä, sekä helpottamaan prototyyppien luomista. Tulostusmateriaaleissa siirrytään aktiivisesti bioystävällisempien materiaalien suuntaan, joihin kuuluvat kuitukomposiittimateriaalit. Yksi suosituimmista muoveista, josta valmistetaan komposiitteja, on PLA, joka valmistetaan kasvisokereista. Tulostusmateriaalia valmistetaan filamenttiekstruudereilla, joita käytetään kustomoitavien komposiittien valmistamiseen.
Tutkielmassa tutkitaan ekstruusioparametrien vaikutusta 3D-tulostus filamentin paksuuden tasaisuuteen Taguchi menetelmien avulla. Filamenttia valmistetaan työpöydällä käytettävällä filamenttiekstuuderilla. Filamentin tasaisuuteen vaikuttavat hallintaparametrit ovat ekstruusiolämpötila, ekstruusioruuvin nopeus, jäähdytyksen nopeus, sekä filamentin vetonopeus. Filamentin laatua arvioidaan kolmen pisteen taivutuskokeiden avulla.
Tuloksista nähdään lämpötilalla olevan suurin vaikutus filamentin tasaisuuteen riippumatta materiaalista. Ekstruusioruuvin nopeudella on suuri vaikutus kovempiin materiaaleihin, kuten PA- tai PLA-muoveilla, pehmeämmillä muoveilla ekstruusioruuvin nopeus ei ollut yhtä tärkeä. Filamentin vetonopeus on todella tärkeä pehmeille materiaaleille, kuten TPU:lle, mutta sen vaikutukset ovat vähäiset koville materiaaleille. Jäähdytysnopeudella on pienin vaikutus filamentin tasaisuuteen riippumatta materiaalista. Taguchi menetelmät eivät ole riittävät tehokkaiden parametriparien määrittämiseen.
This study aims to create filament spools that have a stable diameter using the Taguchi methods. Filament is manufactured with a benchtop filament extruder system. The control parameters considered are extrusion temperature, extrusion speed, cooling speed, filament pulling speed. Filament quality is assessed with flexural testing.
Results show that temperature has the greatest impact on filament consistency regardless of the extruded material. Extrusion speed is second most important for harder materials like PA and PLA, while softer materials are not affected as much. Filament pulling speed is crucial for softer materials like TPU, while harder materials are not as affected. Cooling rate has the lowest impact of all control parameters regardless of the polymer. Taguchi methods are deemed insufficient for proposing parameter combinations that give consistent filament results.
Tutkielmassa tutkitaan ekstruusioparametrien vaikutusta 3D-tulostus filamentin paksuuden tasaisuuteen Taguchi menetelmien avulla. Filamenttia valmistetaan työpöydällä käytettävällä filamenttiekstuuderilla. Filamentin tasaisuuteen vaikuttavat hallintaparametrit ovat ekstruusiolämpötila, ekstruusioruuvin nopeus, jäähdytyksen nopeus, sekä filamentin vetonopeus. Filamentin laatua arvioidaan kolmen pisteen taivutuskokeiden avulla.
Tuloksista nähdään lämpötilalla olevan suurin vaikutus filamentin tasaisuuteen riippumatta materiaalista. Ekstruusioruuvin nopeudella on suuri vaikutus kovempiin materiaaleihin, kuten PA- tai PLA-muoveilla, pehmeämmillä muoveilla ekstruusioruuvin nopeus ei ollut yhtä tärkeä. Filamentin vetonopeus on todella tärkeä pehmeille materiaaleille, kuten TPU:lle, mutta sen vaikutukset ovat vähäiset koville materiaaleille. Jäähdytysnopeudella on pienin vaikutus filamentin tasaisuuteen riippumatta materiaalista. Taguchi menetelmät eivät ole riittävät tehokkaiden parametriparien määrittämiseen.