PARAMETER OPTIMIZATION IN FFF/FDM METHOD USING TAGUCHI EXPERIMENTAL DESIGN

Year 2024, Volume: 8 Issue: 2, 154 - 161, 30.08.2024

Selin Altun , Zeynep Kaygın , Ali Fatih Haliloğlu , Rümeysa Koca , Hasan Baş

Abstract

This study aims to enhance the print quality and investigate the effects of print parameters in Fused Filament Fabrication (FFF) or Fused Deposition Modeling (FDM) technology. In this context, polylactic acid (PLA) filament was used, and print parameters such as layer thickness, extruder temperature, fan speed, wall print speed, and retraction distance were optimized using the Taguchi parameter optimization method. A total of 25 samples were produced using the Taguchi experimental design, with five different levels for each factor. The samples were evaluated using an intuitive quality scoring method, with each sample being rated between 1 and 10. The effects of the print parameters on product quality were analyzed in detail, and errors encountered during printing were identified with proposed solutions. As a result of the research, the optimal print parameters were determined to be a layer thickness of 0.24 mm, an extruder temperature of 200 °C, a fan speed of 60 mm/s, a wall print speed of 24 mm/s, and a retraction speed of 0.6 mm/s. While increased extruder temperature generally decreased print quality, changes in the other parameters did not produce a linear effect. This study aims to optimize the quality and production processes of parts produced using the FFF method. If adopted in industrial applications, the methodology used in this study could contribute to higher quality and efficiency and a more comprehensive range of applications for FFF technology.

Keywords

Fused Deposition Modeling, FFF, FDM, Taguchi, Experimental Design.

FFF/FDM YÖNTEMİNDE TAGUCHİ DENEY TASARIMI İLE PARAMETRE OPTİMİZASYONU

Abstract

Bu çalışmanın amacı eriyik yığma teknolojisinde (Fused Filament Fabrication (FFF) veya Fused Deposition Modeling (FDM)) baskı kalitesini artırmak ve baskı parametrelerinin etkilerini araştırmaktır. Bu kapsamda polilaktik asit (PLA) filament kullanılmış ve Taguchi parametre optimizasyonu ile katman kalınlığı, ekstrüder sıcaklığı, fan hızı, duvar baskı hızı ve geri çekme mesafesi gibi baskı parametreleri optimize edilmiştir. Taguchi deney tasarımı kullanılarak her bir faktör için 5 farklı seviyede toplam 25 numune üretilmiştir. Numuneler, sezgisel olarak kalite puanlaması yöntemiyle değerlendirilmiş ve her biri 1 ile 10 arasında puanlanmıştır. Baskı parametrelerinin ürün kalitesine etkileri detaylı bir şekilde analiz edilmiş olup, baskı esnasında karşılaşılan hatalar tanımlanarak çözüm önerileri sunulmuştur. Araştırma sonucunda, optimal baskı parametreleri olarak 0,24 mm katman kalınlığı, 200 °C ekstrüder sıcaklığı, 60 mm/s fan hızı, 24 mm/s duvar baskı hızı ve 0,6 mm/s geri çekme hızı belirlenmiştir. Ekstrüder sıcaklığının artması baskının genel kalitesini düşürürken diğer parametrelerin değişimi doğrusal bir ekti yaratmamıştır. Bu araştırma, FFF metoduyla üretilen parçaların genel kalitesini ve üretim süreçlerini optimize etmeyi hedeflemektedir. Çalışmada kullanılan metodolojinin endüstriyel uygulamalarda benimsenmesi, daha yüksek kalite ve verimlilik sağlanmasına ve FFF teknolojisinin daha geniş bir kullanım alanına sahip olmasına katkıda bulunabilir.

Keywords

Eriyik Yığma Yöntemi, FFF, FDM, Taguchi, Deney Tasarımı.

References

• 1. Kara, F., Bulan, N., Akgün, M. and Köklü, U., “Multi-Objective Optimization of Process Parameters in Milling of 17-4 PH Stainless Steel using Taguchi-based Gray Relational Analysis”, Engineered Science, Vol. 26, Pages 961, 2023.
• 2. Kara, F., Bayraktar, F., Savaş, F. and Özbek, O., “Experimental and statistical investigation of the effect of coating type on surface roughness, cutting temperature, vibration and noise in turning of mold steel”, Journal of Materials and Manufacturing, Vol. 1, Pages 31-43, 2023
• 3. Nas, E., Özbek, O., Bayraktar, F. and Kara, F., “Experimental and Statistical Investigation of Machinability of AISI D2 Steel Using Electroerosion Machining Method in Different Machining Parameters”, Advances in Materials Science and Engineering, Pages 1241797, 2021.
• 4. Baş, H., Yapıcı, F. and Ergün, E., “Effective use of adaptive slicing in binder jetting using Taguchi method and surface roughness measurement with image processing”, Rapid Prototyping Journal ahead-of-print(ahead-of-print), 2024.
• 5. Giri, J., Sunheriya, N., Sathish, T., Kadu, Y., Chadge, R., Giri, P., Parthiban, A. and Mahatme, C., “Optimization of process parameters to improve mechanical properties of fused deposition method using taguchi method”, Interactions Vol. 245, Issue 1, Pages 87, 2024.
• 6. Singh, T. K., Birru, A. K. and Singh, K. N., “Optimizing the printing parameters for dimensional accuracy of distal femur bone by using Taguchi’s method”, Journal of Engineering and Applied Science, Vol. 71, Issue, Pages 10, 2024.
• 7. Wambua, J. M., Mwema, F. M., Akinlabi, S., Birkett, M., Xu, B., Woo, W. L., Taverne, M., Ho, Y.-L. D. and Akinlabi, E., “Optimisation of printing parameters of fused filament fabrication and uniaxial compression failure analysis for four-point star-shaped structures”, Rapid Prototyping Journal Vol. 30, Issue 5, Pages 885-903, 2024.
• 8. Kartal, F., “Optimization of fused deposition modeling process parameters”, International Journal of 3D Printing Technologies and Digital Industry, Cilt 1, Sayı 1, Sayfa 49-56, 2017.
• 9. Baş, H., Elevli, S. and Yapıcı, F., “Fault tree analysis for fused filament fabrication type three-dimensional printers”, Journal of Failure Analysis and Prevention, Vol. 19, Issues 5, Pages 1389-1400, 2019.
• 10. Bacak, S, Özkavak, H. V. ve Tatli, M., “FDM yöntemi ile üretilen PLA numunelerin çekme özelliklerine işlem parametrelerinin etkisinin incelenmesi”, Mühendislik Bilimleri ve Tasarım Dergisi, Cilt 9, Sayı 1, Sayfa 209-216, 2021.
• 11. Günay, M., Gündüz, S., H. Yilmaz, Yaşar, N ve Kaçar, R., “PLA esaslı numunelerde çekme dayanımı için 3D baskı işlem parametrelerinin optimizasyonu”, Politeknik Dergisi, Cilt, 23, Sayı 1, Sayfa 73-79, 2020.
• 12. Bilgin, M., “ABS Esasli Numunelerin 3d Yazici ile Üretilmesinde İşlem Parametrelerinin Optimizasyonu”, International Journal of 3D Printing Technologies and Digital Industry, Cilt 6, Sayı 2, Sayfa 236-249, 2022.
• 13. Seçgin, Ö. ve Kahraman, H., “PETG materyali kullanılarak FDM yöntemiyle eklemeli imalat işleminde yüzey pürüzlülüğünün parametrik optimizasyonu”, International Conference on Engineering, Natural and Social Sciences, Cilt 1, Sayfa 623-626, 2023.
• 14. Sood, A. K., Ohdar, R.K. and Mahapatra, S.S., “Improving dimensional accuracy of Fused Deposition Modelling processed part using grey Taguchi method”, Materials and Design, Vol. 30, Issue 10, Pages 4243-4252, 2009.
• 5. Zhang, J.W. and Peng, A.H., “Process-Parameter optimization for fused deposition modeling based on Taguchi method”, Advanced Materials Research, Vol., 538-541, Pages 444-447, 2012.
• 16. Brenken, B., Barocio, E., Favaloro, A., Kunc, V. and Pipes, R. B., “Fused filament fabrication of fiber-reinforced polymers: A review”, Additive Manufacturing, Vol. 21, Pages 1-16, 2018.
• 17. Daminabo, S.C., Goel, S., Grammatikos, S.A., Nezhad, H.Y. and Thakur, V.K., “Fused deposition modeling-based additive manufacturing (3D printing): techniques for polymer material systems”, Materials Today Chemistry, Vol. 16, Pages 100248, 2020.
• 18. Sathies, T., Senthil, P. and Anoop, M.S., “A review on advancements in applications of fused deposition modelling process”, Rapid Prototyping Journal, Vol. 26, Issues 4, Pages 669-687, 2020.
• 19. Anonymous,“3D Benchy”, https://www.3dbenchy.com/, October 24, 2023.
• 20. ASTM, “Standard terminology for additive manufacturing technologies”, https://www.astm.org/f2792-12a.html, October 20, 2023.
• 21. Canıyılmaz, E., “Kalite geliştirmede Taguchi Metodu ve bir uygulama”, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi, Ankara, 2001