\documentclass[a4paper,12pt]{article}

% --------------------------------------------
% Packages
% --------------------------------------------
\usepackage[utf8]{inputenc}
\usepackage[croatian]{babel}
\usepackage[scaled=0.92]{helvet}
\renewcommand{\familydefault}{\sfdefault} % Arial substitute (Helvetica)
\usepackage{amsmath, gensymb, textcomp}
\usepackage{graphicx, float, adjustbox}
\usepackage[table]{xcolor}
\usepackage{enumitem}
\usepackage[margin=2.5cm]{geometry}
\usepackage{setspace}
\usepackage{footmisc}
\usepackage{booktabs}
\usepackage{longtable}
\usepackage{caption}
\usepackage[backend=biber,style=numeric]{biblatex}
\addbibresource{literatura.bib}



\setlength{\footnotesep}{0.5\baselineskip}
\renewcommand{\footnotelayout}{\setstretch{1.0}}

% Section formatting
\usepackage{sectsty}
\sectionfont{\fontsize{14}{16}\selectfont\bfseries}
\subsectionfont{\fontsize{12}{14}\selectfont\bfseries}
\subsubsectionfont{\fontsize{12}{14}\selectfont\itshape}

% --------------------------------------------
% Header and Footer (fancyhdr)
% --------------------------------------------
\usepackage{fancyhdr}
\pagestyle{fancy}
\fancyhf{} % clear all header and footer fields
\renewcommand{\footrulewidth}{0.4pt}
\renewcommand{\headrulewidth}{0.4pt}

% Header
\fancyhead[L]{\textit{Niko Vujić}}        % Left: name
\fancyhead[R]{\textit{Završni rad}}       % Right: document type

% Footer
\fancyfoot[L]{\textit{Tehnički fakultet u Puli}} % Left footer
\fancyfoot[R]{\thepage} % Right footer: page number

\begin{document}

\section{Uvod}

%----------- POTREBNA_PROMJENA
Postupak FDM 3D printanja trenutno je najbrže rastuća metoda proizvodnje aditivnim tehnologijama, te je zbog svoje svestranosti ubrzo postala i najzastupljenija metoda
proizvodnje aditivnim tehnologijama na tržištu.
Prednosti proizvodnje aditivnim tehnologijama leže u velikoj brzini prototipiranja, mogučnošću proizvodnje malih serija bez izrade alata, minimalnoj količini škarta
te velikoj fleksibilnosti pri konstruiranju.
Isti razlog zbog kojega 3D printanje daje fleksibilnost pri konstruiranju (zbog izrade kompliciranih oblika te mogučnosti izrade šupljih dijelova zbog redukcije mase,
povećanja brzine izrade te uštede materijala) daje i glavne probleme ove tehnologije.
U odnosu na tradicionalne proizvodne metode (obrada odvajanjem čestica, injekcijsko prešanje ...) 3D printanje daje puno manje predvidive ishode izrađenih strojnih
dijelova zbog samog broja parametara koji utječu na kvalitetu izrade i samu čvrstoću strojnog dijela.
Cilj ovog rada je pronaći parametre koji najviše utječu na promjenu čvrstoće 3D printa, te pronaći korelaciju između promjene istih i čvrstoće strojnog dijela.
%--------

\pagebreak

\section{FDM aditivna tehnologija} \label{sec:fdm_aditivna_tehnologija}

\subsection{Općenito o FDM tehnologiji} \label{sec:opcenito_o_fdm_tehnologiji}

FDM (fused deposition modeling) često znano kao FFF (fused filament fabrication) aditivna je tehnologija koja koristi ekstruziju termoplastičnog materijala kroz slojeve
za izradu 3D modela.
Proces se sastoji od grijanja mlaznice na temperaturu taljenja termoplastičnog materijala te istiskivanjem istog kroz brizgalocu sloj po sloj kako bi se izradio
3D model.

\subsection{Princip rada FDM tehnologije} \label{subsec:princip_rada_fdm_tehnologije}

FDM tehnologija temelji se na procesu taloženja materijala po slojevima, pri čemu se termoplastični materijal (najčešće u obliku filamenta) zagrijava na (ili preko)
temperaturu tališta i ekstrudira kroz mlaznicu. \\
Proces izrade strojnog dijela može se podjeliti u sljedeće korake:

\begin{enumerate}
    \item Priprema modela
    \item Zagrijavanje i ekstruiranje
    \item Izgradnja slojeva
\end{enumerate}

\bigskip

\noindent\textbf{1. Priprema modela} \\
Model se pretvara iz vektorskog formata (step, stp, iges...) u format površinske mreže (stl, obj, ply) te se kao takav stavlja u program za pripremu ispisa (slicer).
U sliceru se podešavaju svi potrebni parametri ispisa (više o njima u sljedećem poglavlju) te se model pretvara u gcode (tekstualni jezik naredbi čitljiv 3D printeru kao
stroju). \\


\noindent\textbf{2. Zagrijavanje i ekstrudiranje} \\
Materijal u obliku filamenta se sustavom za dovod materijala dovodi u zagrijanu glavu stroja, gdje se kroz mlaznicu zatim precizno nanosi na radnu površinu.\\

\noindent\textbf{3. Izgradnja slojeva} \\
Stroj pomiče mlaznicu ili podlogu (ovisno o izvedbi) po osima X, Y i Z te sloj po sloj izgrađuje 3D objekt. Svaki novi sloj se taloži na prethodni po Z-osi sve dok
se ne izgradi 3D objekt. \\

\newpage
\section{Parametri ispisa}\label{sec:parametri_ispisa}

\subsection{Osnovni parametri ispisa}\label{subsec:osnovni_parametri_ispisa}

Parametre ispisa početno možemo podjeliti u tri glavne skupine.

\begin{enumerate}
    \item Parametri povezani s obradom materijala
        \subitem Temperatura mlaznice
        \subitem Temperatura podloge
        \subitem Brzina hlađenja (diktirana hlađenjem glave stroja)
        \subitem Vrsta materijala
        \subitem Promjer i tip filamenta
    \item Parametri povezani s dinamikom stroja
        \subitem Brzina ispisa
        \subitem Akceleracija i trzaj (jerk)
        \subitem Retrakcija materijala
        \subitem Visina Z-podizanja pri preskakanju (Z-hop)
        \subitem Kalibracija osi i tolerancije
    \item Parametri povezani s geometrijom objekta
        \subitem Visina sloja
        \subitem Širina ekstruzije
        \subitem Postotak ispune
        \subitem Debljina gornjih i donjih slojeva
        \subitem Vrsta ispune
        \subitem Orijentacija modela na radnoj podlozi
        \subitem Broj slojeva stijenke
\end{enumerate}

\subsection{Opis relevantnih parametara ispisa}\label{subsec:odabir_parametara_za_testiranje}

Iako svaka skupina prethodno navedenih parametara utječe na čvstoću objekta, prve dvije skupine ovise samo o stroju i materijalu, te su samim time konstantne za svaku
kombinaciju stroja i materijala. Korelaciju ćemo u ovome radu tražiti samo između parametara treće skupine, jer su parametri oblika oni koji za različite strojne
dijelove u procesu proizvodnje istim materijalom na istom stroju diktiraju samu promjenu čvrstoće strojnog dijela.\\
U daljnjem će tekstu biti dublje opisani parametri povezani s geometrijom objekta.\\


\newpage
\subsubsection{Visina sloja}\label{subsubsec:visina_sloja}

Visina sloja predstavlja debljinu svakog pojedinog sloja taloženog tijekom ispisa, te samim time definira "vertikalnu rezoluciju" modela. Tipične vrijednosti kreću se
između 0.1mm i 0.5mm, ovisno o željenoj kvaliteti ispisa. Manji slojevi omogućavaju veću kvalitetu ispisa te manju hrapavost površine, ali produžuju vrijeme ispisa.
Što je visina sloja veća, slojevi se brže talože, ali dolazi go veće separacije slojeva i slabije adhezije među istima.\\
Pogledamo li poprečni presjek u ravnini normalnoj na trag filamenta možemo vidjeti kako manje visine slojeva (za isti volumenski protok materijala)
daje veću kontaktnu površinu među slojevima, te samim time i veću adheziju među slojevima i manju horizontalnu separaciju sloja.\\
Varijacija presjeka u odnosu na različite visine slojeva prikazana je na slici \ref{fig:visina_sloja}.\\


\begin{figure}[h]
    \centering
    \includegraphics[width=0.8\textwidth]{media/imgs/parameters_description/visina_sloja.jpg}
    \caption{Transformacija poprečnog presjeka pojedinog sloja s povećanjem debljine sloja. Idealizirani oblik sloja prikazan je preko SEM slika (preuzeto iz \cite{kuznetsov2018strengthPLA}).}
    \label{fig:visina_sloja}
\end{figure}


\subsubsection{Širina ekstruzije}\label{subsubsec:sirina_ekstruzije}
Širina ekstruzije određuje koliko je širok pojedini ispisani trag filamenta. Tipične vrijednosti kreću se između 80\% i 120\% promjera mlaznice, čime je moguće
osigurati dobro prosječno preklapanje susjednih tragova. Preklapanje susjednih tragova prikazano je na slici \ref{fig:sirina_ekstruzije}, te je moguće primjetiti kako veća
širina ekstruzije daje veću horizontalnu kontaktnu površinu između tragova, te (u ovisnosti o visini sloja prethodno opisanoj u podpoglavlju \ref{subsubsec:visina_sloja})
daje i veću kontaktnu površinu između slojeva.\\

\begin{figure}[h]
  \centering
  \includegraphics[width=0.6\textwidth]{media/imgs/parameters_description/sirina_ekstruzije.jpg}
  \caption{Širina ekstruzije pojedinog traga pri izlazu iz mlaznice, prikazano kroz nekoliko paralelnih tragova (preuzeto iz \cite{hermann2019extrusionwidth}).}
  \label{fig:sirina_ekstruzije}
\end{figure}

\newpage
\subsubsection{Postotak ispune}\label{subsubsec:postotak_ispune}

Postotak ispune određuje koliko unutrašnjosti modela će biti ispunjeno materijalom. Ispuna može biti u rasponu od 0\% (šuplji model samo sa vanjskom stijenkom)
do 100\% (potpuno ispunjen model). Tipične vrijednosti za funkcionalne modele kreću se između 15\% i 60\%, dok se veće vrijednosti često koriste za dijelove malih
poprečnih presjeka u odnosu na dimenzije mlaznice (gdje je anizotropija značajna), ili za dijelove koji trebaju podnijeti značajna mehanička opterećenja.\\
Veći postotak ispune direktno povećava masu, čvrstoću i krutost dijela, ali i povećava potrošnju materijala te značajno povećava vrijeme ispisa.\\

\begin{figure}[h]
  \centering
  \includegraphics[width=0.6\textwidth]{media/imgs/parameters_description/postotak_ispune.jpg}
  \caption{Različiti postotci ispune kod iste vrste ispune. Preuzeto iz \cite{clevercreationsInfillStrength}.}
  \label{fig:postotak_ispune}
\end{figure}

\subsubsection{Debljina gornjih i donjih slojeva}\label{subsubsec:debljina_gornjih_i_donjih_slojeva}
Debljina gornjih i donjih slojeva definira koliko će slojeva biti potpuno ispunjeno bez strukturne ispune. Za razliku od visine slojeva (\ref{subsubsec:visina_sloja})
ovdje se govori o stvarnom broju slojeva, ne o njihovoj visini.\\
Donji slojevi ključni su za kvalitetno prijanjanje modela uz podlogu, dok gornji slojevi sprječavaju pojavu rupa ili udubljenja pri završetku ispisa.\\
Tipične vrijednosti broja donjih slojeva kreće se između 2 i 4, kako bi se osigurala dobra baza za prijanjanje slojeva manjih poprečnih presjeka (slojeva sačinjenih
od ispune) te osiguralo dobro prijanjanje na podlogu.\\
Tipične vrijednosti broja gornjih slojeva kreću se između 3 i 5, ovisno o postotku ispune. Niži postoci ispune zahtjevaju veći broj gornjih slojeva kako bi se
sakrilo "vješanje" slojeva koji se grade na zadnjem sloju ispune, dok je za veće postotke ispune dovoljno imati manji broj gornjih slojeva jer se sam sloj gradi
na "gušćoj" mreži ispune.\\

%ubaciti sliku vješanja slojeva


\newpage
\subsubsection{Vrsta ispune}\label{subsubsec:vrsta_ispune}
Vrsta ispune definira geometrijsku strukturu kojom se ispunjava unutrašnjost modela. Vrste ispune se primarno dijele na 2D i 3D ispune, gdje 2D ispune svoj osnovni
oblik ispune drže konstantnim kroz cijelu Z-os, dok 3D ispune variraju oblik ispune po Z-osi.\\
Prednosti 3D ispuna su često smanjenje razine anizotropnosti materijala, te konzistentniji prijenos sile kroz strojni komad, no pošto se površinski presjek po Z-osi
mijenja, anizotropnost nije konstanta što onemogućava bilo koju vrstu proračuna ili predikcije čvrstoće strojnog dijela.\\
Prikaz najpopularnijih 2D i 3D vrsta ispune nalazi se u tablicama \ref{tab:2d_ispune} i \ref{tab:3d_ispune} (preuzeto iz \cite{prusaInfillPatterns}).\\

\begin{centering}
\begin{longtable}{|>{\centering\arraybackslash}m{2.5cm}|>{\raggedright\arraybackslash}m{9cm}|>{\centering\arraybackslash}m{5cm}|}

\caption{2D vrste ispune} \label{tab:2d_ispune} \\
\hline
\textbf{Naziv} & \textbf{Opis} & \textbf{Slika} \\
\hline
\endfirsthead
\multicolumn{3}{c}{{\bfseries Nastavak Tablice \thetable{} – 2D vrste ispune}} \\
\hline
\textbf{Naziv} & \textbf{Opis} & \textbf{Slika} \\
\hline
\endhead
\hline
\endfoot

Rectlinear & 
\textbf{Geometrija:} Paralelne linije koje se izmjenjuju po slojevima pod 90°.
\newline
\textbf{Prednosti:} Vrlo brzo printanje, jednostavna struktura, dobra potpora.
\newline
\textbf{Mane:} Ograničena čvrstoća u smjeru linija.
& \includegraphics[width=2.5cm]{media/imgs/infills/rectlinear_infill.jpg} \\

\hline

Poravnati rectlinear & 
\textbf{Geometrija:} Sve linije u istom smjeru u svim slojevima.
\newline
\textbf{Prednosti:} Najbrže moguće printanje.
\newline
\textbf{Mane:} Slabija potpora gornjim slojevima, manje čvrstoće.
& \includegraphics[width=2.5cm]{media/imgs/infills/aligned_rectlinear_infill.jpg} \\

\hline

Mreža (Grid) & 
\textbf{Geometrija:} Dvije serije linija po sloju, pod 90°, koje se sijeku.
\newline
\textbf{Prednosti:} Više čvrstoće od rectlineara, dobra ravnoteža brzine i stabilnosti.
\newline
\textbf{Mane:} Nešto sporije od osnovnih linijskih uzoraka.
& \includegraphics[width=2.5cm]{media/imgs/infills/grid_infill.jpg} \\

\hline

Trokuti & 
\textbf{Geometrija:} Uzorak s linijama pod tri kuta (60°).
\newline
\textbf{Prednosti:} Povećana čvrstoća u više smjerova.
\newline
\textbf{Mane:} Duže vrijeme printanja.
& \includegraphics[width=2.5cm]{media/imgs/infills/triangles_infill.jpg} \\

\hline

Zvijezde & 
\textbf{Geometrija:} Šesterokraki uzorak nastao iz trokuta.
\newline
\textbf{Prednosti:} Dekorativan i čvrst.
\newline
\textbf{Mane:} Veća složenost, usporava ispis.
& \includegraphics[width=2.5cm]{media/imgs/infills/stars_infill.jpg} \\

\hline

Linije & 
\textbf{Geometrija:} Jednosmjerne ravne linije po sloju.
\newline
\textbf{Prednosti:} Ekstremno brzo printanje.
\newline
\textbf{Mane:} Gotovo nikakva potpora gornjim slojevima.
& \includegraphics[width=2.5cm]{media/imgs/infills/line_infill.jpg} \\

\hline

Koncentrični & 
\textbf{Geometrija:} Krivulje koje prate vanjske konture modela.
\newline
\textbf{Prednosti:} Idealno za fleksibilne ili transparentne materijale.
\newline
\textbf{Mane:} Lošija unutarnja čvrstoća.
& \includegraphics[width=2.5cm]{media/imgs/infills/concentric_infill.jpg} \\

\hline

Saće (Honeycomb) & 
\textbf{Geometrija:} Šesterokutni uzorak poput pčelinjeg saća.
\newline
\textbf{Prednosti:} Visoka čvrstoća i otpornost na pritisak.
\newline
\textbf{Mane:} Sporo za ispis i koristi više materijala.
& \includegraphics[width=2.5cm]{media/imgs/infills/honeycomb_infill.jpg} \\

\hline

Hilbertova krivulja & 
\textbf{Geometrija:} Fraktalna, labirintska linija koja ispunjava površinu.
\newline
\textbf{Prednosti:} Prikladno za smolne kalupe i ravne površine.
\newline
\textbf{Mane:} Sporo ispisivanje, niska strukturalna čvrstoća.
& \includegraphics[width=2.5cm]{media/imgs/infills/hilbert_curve_infill.jpg} \\

\hline

Arhimedove žice & 
\textbf{Geometrija:} Spiralne linije koje se šire iz središta.
\newline
\textbf{Prednosti:} Fleksibilnost i ravnomjerna ispunjenost.
\newline
\textbf{Mane:} Smanjena unutarnja čvrstoća.
& \includegraphics[width=2.5cm]{media/imgs/infills/archimedean_chords_infill.jpg} \\

\end{longtable}
\end{centering}


\begin{centering}
\begin{table}[H]
\centering
\caption{3D vrste ispune}
\label{tab:3d_ispune}
\begin{tabular}{|>{\center\arraybackslash}m{2.5cm} |>{\raggedright\arraybackslash}m{9cm} |>{\centering\arraybackslash}m{5cm}|}
\hline
\textbf{Naziv} & \textbf{Opis} & \textbf{Slika} \\
\hline

Kockasti (Cubic) & 
\textbf{Geometrija:} Trodimenzionalna mreža kocki, izotropno raspoređena.
\newline
\textbf{Prednosti:} Jednaka čvrstoća u svim smjerovima, dobra potpora.
\newline
\textbf{Mane:} Složeniji put ekstrudera povećava trajanje ispisa.
& \includegraphics[width=2.5cm]{media/imgs/infills/cubic_infill.jpg} \\

\hline

Potporni kockasti & 
\textbf{Geometrija:} Rjeđa verzija cubic ispune s fokusom na gornju podršku.
\newline
\textbf{Prednosti:} Štedi materijal, ali osigurava stabilne vršne slojeve.
\newline
\textbf{Mane:} Lošija strukturalna čvrstoća unutar modela.
& \includegraphics[width=2.5cm]{media/imgs/infills/support_cubic_infill.jpg} \\

\hline

Adaptivni kockasti & 
\textbf{Geometrija:} Varijabilna gustoća cubic ispune, ovisna o obliku modela.
\newline
\textbf{Prednosti:} Optimizirano za potporu samo gdje je potrebna.
\newline
\textbf{Mane:} Složeniji za predvidjeti i simulirati.
& \includegraphics[width=2.5cm]{media/imgs/infills/adaptive_cubic_infill.png} \\

\hline

3D saće (3D honeycomb) & 
\textbf{Geometrija:} Kombinacija oktagona i kvadrata u prostornoj mreži.
\newline
\textbf{Prednosti:} Dobra vertikalna potpora i čvrstoća.
\newline
\textbf{Mane:} Sporiji ispis i kompleksniji uzorak.
& \includegraphics[width=2.5cm]{media/imgs/infills/3d_honeycomb_infill.jpg} \\

\hline

Giroidna ispuna (Gyroid infill) & 
\textbf{Geometrija:} Trodimenzionalna, glatka površina bez ravnih presjeka, definirana matematičkom funkcijom.
\newline
\textbf{Prednosti:} Visoka izotropna čvrstoća, otpornost na torziju, dobar protok zraka, kontinuiran ispis bez prekida.
\newline
\textbf{Mane:} Veća potrošnja materijala i slabija podrška velikim horizontalnim ravninama.
& \includegraphics[width=2.5cm]{media/imgs/infills/gyroid_infill.jpg} \\

\hline
\end{tabular}
\end{table}
\end{centering}

\newpage
\subsubsection{Orijentacija modela na radnoj podlozi}\label{subsubsec:orijentacija_modela_na_radnoj_podlozi}
Orijentacija modela na radnoj podlozi odnosi se na smijer u kojemu želimo da se model izrađuje. Na slici \ref{fig:orijentacija_modela_na_radnoj_podlozi} prikazan je
paralelopiped u sve tri orijentacije u odnosu na radnu podlogu. 
Orijentacija izrade vrlo je bitan parametar, jer je glavni faktor koji diktira smijer anizotropije samog modela, mehanička svojstva u smijeru Z-osi 
(na slici \ref{fig:orijentacija_modela_na_radnoj_podlozi} plava os) bitno su drugačija od mehaničkih svojstava u smjerovima osi paralelnih sa radnom podlogom.\\
Ako se, primjerice, dijelovi koji su izloženi savijanju ispisuju tako da se slojevi talože okomito na silu savijanja (na slici \ref{fig:orijentacija_modela_na_radnoj_podlozi}
model lijevo), doći će do loma duž slojeva. Pravilnim postavljanjem modela može se izbjeći takvo ponašanje.\\

\begin{figure}[h]
    \centering
    \includegraphics[width=0.9\textwidth]{media/imgs/parameters_description/orijentacija_modela_na_radnoj_podlozi.jpg}
    \caption{3D model paralelopipeda prikazan u sve tri orijentacije u odnosu na podlogu.}    
    \label{fig:orijentacija_modela_na_radnoj_podlozi}
\end{figure}

\subsubsection{Broj slojeva stijenke}\label{subsubsec:broj_slojeva_stijenke}
Broj slojeva stijenke definira koliko će puta mlaznica napraviti kružni ispis oko konture modela, stvarajući vanjski zid modela. Povećanjem broja stijenki smanjuje
se oslanjanje na unutarnju ispunu, što je korisno kod tankih ili strukturno osjetljivih modela. U kombinaciji s visokom širinom ekstruzije (\ref{subsubsec:sirina_ekstruzije})
i niskom visinom sloja (\ref{subsubsec:visina_sloja}) broj stijenki čini ključni parametar za poboljšanje čvrstoće modela.\\

\begin{figure}[h]
    \centering
    \includegraphics[width=0.9\textwidth]{media/imgs/parameters_description/broj_slojeva_stijenke.jpg}
    \caption{3D model paralelopipeda podešenog na 2, 4 i 6 slojeva stijenke.}    
    \label{fig:broj_slojeva_stijenke}
\end{figure}


%---------------------------------------------------------------------
%----------------------LITERATURA-------------------------------------
%---------------------------------------------------------------------

\newpage
\newpage
\printbibliography[title={Literatura}]

\end{document}
