Master's Thesis

Influence of nozzle cross-section geometry on the additive manufacturing of polymer spatial struts

Final Thesis 9.11 MB

Author of thesis: Ing. Jakub Sýkora

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Petr Křivohlavý

Reviewer: doc. Ing. Stanislav Němeček, PhD.

Abstract:

This master’s thesis investigated the influence of the nozzle cross-section shape on the robotic 3D printing of polymer rods using Fused Granulate Fabrication (FGF) technology. The aim was to determine whether a non-circular nozzle cross-section with a larger perimeter to area ratio accelerates the cooling of the printed rod and improves its mechanical properties while maintaining shape stability. Five non-circular profiles and a reference circular cross-section of identical nominal area were examined. The work combined a simplified numerical analysis, used to select the profile dimensions, with experimental measurements on a robotic printing workstation. The die swell of freely extruded rods, the geometric accuracy and shape stability of the rods during printing, and their buckling and bending load capacity were evaluated experimentally. The measurements showed that the actual rod shape deviates significantly from the nominal nozzle geometry: due to the Barus effect, the cross-sectional area increased by 9.5 to 67.6 %, with slenderness being the decisive geometric factor. During printing, the rod was longitudinally stretched by the motion of the print head, which returned its cross-section back to the nominal value. Three of the five non-circular profiles outperformed the reference circular cross-section in both the buckling and bending tests. Longitudinal stretching of the rod, rather than the cooling rate itself, was identified as the dominant mechanism of improved shape stability. The thesis demonstrated that the Barus effect is an undesirable phenomenon for FGF printing, as it distorts the designed geometry and degrades mechanical properties, whereas controlled longitudinal stretching represents a tool for improving the print quality of lattice structures.

Keywords:

additive manufacturing, Fused Granulate Fabrication, FGF, non-circular nozzle, Barus effect, lattice structures

Date of defence

15.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaBznamka

Grading

B

Process of defence

Student prezentoval výsledky své diplomové práce a zodpověděl otázky oponenta: doc. Němeček: V úvodu práce je diskutován vliv povrchu tisku, kdy pro průmyslové aplikace je vyžadováno obrábění, respektive hladký povrch. Prosím o komentář, jaký povrch (a problémy s tím spojenými) očekáváte při tisku ploch z uvedených geometrií trysek. ZODPOVĚZENO doc. Němeček: Pokud se uvažuje pouze o tisku prutových struktur, prosím o úvahu jak přistupovat k vytváření uzlových bodů pro jednotlivé geometrie. ZODPOVĚZENO doc. Němeček: Jak by se při tisku prutových struktur řešilo přerušování tisku? ZODPOVĚZENO doc. Němeček: Použitá tisková hlava má poměr průměru k délce L:D=14:1. V textu je uváděno, že do poměru 20:1 může docházet k nehomogenitám. Prosím o komentář vzhledem k této diplomové práci - byly nehomogenity taveniny pozorovány u některých tvarů trysek? ZODPOVĚZENO dr. Dočekalová: Na základě čeho jste volil tvary trysek? ZODPOVĚZENO doc. Koutný: Nebylo by možné kompenzovat Barusův efekt? ZODPOVĚZENO Ing. Baron: Jaký je celkový závěr pro prostorové pruty? ZODPOVĚZENO Ing. Baron: Když tisknete dolů, jak máte umístěnou tiskovou hlavu? ZODPOVĚZENO doc. Maňas: Jaký je rozdíl mezi predikovanými a experimentálními vlastnostmi? ZODPOVĚZENO doc. Maňas: Tyto výsledku zohledňují počáteční imperfekce? ZODPOVĚZENO doc. Mazůrek: Jak jste prohnutý prut upevnil do experimentálního zařízení? ZODPOVĚZENO

Language of thesis

Czech

Faculty

Fakulta strojního inženýrství

Department

Institute of Machine and Industrial Design

Study programme

Mechanical Engineering Design (N-KSI-P)

Composition of Committee

prof. Ing. Martin Hartl, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Daniel Koutný, Ph.D. (místopředseda)
doc. Ing. Ivan Mazůrek, CSc. (člen)
doc. Ing. Pavel Maňas, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Stanislav Němeček, PhD. (člen)
Ing. Kateřina Dočekalová, Ph.D. (člen)
Ing. Petr Čížek, Ph.D. (člen)
Ing. Jaroslav Baron (člen)

Supervisor’s report
Ing. Petr Křivohlavý

Diplomová práce se zabývá problematikou vlivu geometrie průřezu trysky na robotický 3D tisk polymerních prostorových prutů. Cílem bylo experimentálně ověřit vliv nekruhových průřezů trysek na geometrii extrudovaných prutů a jejich tvarovou stabilitu během tisku a výsledné mechanické vlastnosti.

Teoretická část práce poskytuje ucelený přehled současného stavu poznání v oblasti robotického 3D tisku, prutových struktur a reologie polymerních tavenin. Rešerše je zpracována na odborné úrovni a vhodně vytváří podklad pro formulaci výzkumných otázek a návrh experimentu. Pozitivně hodnotím schopnost studenta identifikovat mezery v současném stavu poznání a navrhnout metodiku jejich ověření.

V praktické části student realizoval numerickou analýzu vybraných nekruhových profilů trysek. Na základě analýz navrhl vhodné rozměry a po jejich výrobě provedl experimenty na robotickém pracovišti. Experimenty byly zaměřeny na studium Barusova efektu, geometrické stability prutů a jejich mechanických vlastností prostřednictvím vzpěrných a ohybových zkoušek. Získané výsledky byly zpracovány pomocí statistických metod a kriticky diskutovány s ohledem na stanovené hypotézy.

Student během řešení prokázal vysokou míru samostatnosti a systematického přístupu. Za největší přínos práce považuji experimentální prokázaní významného vlivu Barusova efektu na výslednou geometrii prutů a identifikaci podélného natažení prutu jako dominantního mechanismu ovlivňujícího jeho tvarovou stabilitu. Práce přináší nové poznatky využitelné při návrhu procesů tisku prutových struktur a vytváří základ pro navazující výzkum.

Po formální stránce je práce dobře zpracována, text je logicky členěn a vhodně doplněn obrázky, grafy a tabulkami. Rozsah i kvalita zpracování odpovídají požadavkům na diplomovou práci. Celkově práci hodnotím velmi kladně a doporučuji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment A
Working process, extent and suitability of applied methods A
Scholarly contribution and originality A
Ability to interpret achieved results and draw conclusions B
Applicability of results in practice or theory B
Logical arrangement of thesis and its layout B
Grafic layout, used style and language level A
Work with used sources including quotations A
Student's independence when working on the topic A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
doc. Ing. Stanislav Němeček, PhD.

Práce je velmi rozsáhlá a více než dvojnásobně přesahuje požadavky na DP. Úvodní rešerše je velmi precizní a zvažuje všechny proměnné i současný stav. Cíle i hypotézy jsou jasně definované, rešerše ukazuje, že se jedná o originální téma. Použitá literatura je naprosto dostatečná. V celém textu autor prokazuje schopnost definovat problém, popsat řešení i diskutovat výsledky. Nemám výhrady ani k formálním náležitostem, jen u některých převzatých obrázků by bylo vhodné přeložit texty do jazyka DP. Ostatní grafické zpracování je velmi názorné. Volba 5 různých geometrií pokrývá dostatečně možnou variabilitu možností. Závěry ukazují, že výsledky budou pravděpodobně využitelné pro specifické požadavky - např. pro pruty s vyšší tuhostí apod. Velmi se mi líbí analýza rešerše v kapitole 2.5. Autor si stanovil 2 cíle a hypotézy k ověření - porovnat vliv změny průřezu prutu z válce na složitější tvary a ověřit, zda změna geometrie má vliv na stabilitu a vlastnosti prutů. K tomu použil vhodné analytické a experimentální metody a zadání diplomové práce beze zbytku splnil. Proto práci doporučuji k obhajobě a hodnotím ji výborně. 
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment A
Working process, extent and suitability of applied methods A
Scholarly contribution and originality A
Ability to interpret achieved results and draw conclusions A
Applicability of results in practice or theory B
Logical arrangement of thesis and its layout A
Grafic layout, used style and language level A
Work with used sources including quotations A
Topics for thesis defence:
  1. Použitá tisková hlava má poměr průměru k délce L:D=14:1. V textu je uváděno, že do poměru 20:1 může docházet k nehomogenitám. Prosím o komentář vzhledem k této diplomové práci - byly nehomogenity taveniny pozorovány u některých tvarů trysek?
  2. V úvodu práce je diskutován vliv povrchu tisku, kdy pro průmyslové aplikace je vyžadováno obrábění, respektive hladký povrch. Prosím o komentář, jaký povrch (a problémy s tím spojenými) očekáváte při tisku ploch z uvedených geometrií trysek. Pokud se uvažuje pouze o tisku prutových struktur, prosím o úvahu jak přistupovat k vytváření uzlových bodů pro jednotlivé geometrie. Jak by se při tisku prutových struktur řešilo přerušování tisku?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová