مهندسی ساخت و تولید ایران

مهندسی ساخت و تولید ایران

لایه نشانی الیاف پیوسته شیشه بر روی سطح منحنی توسط دستگاه چاپگر سه بعدی بر اساس فن‌آوری لایه نشانی ذوبی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 استادیار، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی سیرجان، سیرجان، ایران
2 استادیار، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه پیام نور، تهران، ایران
چکیده
بهبود خواص مکانیکی قطعات چاپ‌شده توسط چاپگر سه‌بعدی بر اساس فن‌آوری لایه نشانی ذوبی، توسط الیاف پیوسته (کربن، شیشه و آرامید) مورد توجه بسیاری از محققین بوده است. با توجه به ذات فرآیندهای ساخت افزایشی که قطعه را به‌صورت لایه‌لایه تولید می‌کنند، در اکثر تحقیقات صورت گرفته الیاف پیوسته در یک سطح صاف لایه نشانی می‌شوند. در مواردی هم که الیاف بر روی سطوح منحنی لایه نشانی می‌شوند از ربات‌هایی با درجات آزادی بالا استفاده‌ شده است. در این پژوهش روشی برای لایه نشانی الیاف پیوسته شیشه بر روی سطح منحنی ارائه می‌گردد. این روش بر روی چاپگرهای ساده و ارزان‌قیمت پیاده‌سازی می‌شود. روش ارائه ‌شده مبتنی بر اصلاح جی‌کد، ایجاد یک محور دورانی برای نازل، به ‌کارگیری و استفاده از تکنیک‌های طراحی و ساخت به کمک رایانه است. در نهایت با اسکن سه‌بعدی قطعه چاپ‌ شده و مقایسه آن با مدل سه‌بعدی میزان انحراف و تلورانس فرم سطحی تعیین می‌گردد. نتایج تجربی حاصل، حاکی از کارایی روش ارائه ‌شده برای لایه نشانی الیاف پیوسته بر روی سطوح منحنی است. با سیستم ارائه ‌شده الیاف پیوسته با روش آغشته سازی هم‌زمان بر روی یک سطح که متشکل از مسیرهایی با درجه انحنای مختلف است لایه نشانی می‌شوند. نتایج حاصل از مقایسه نمونه اسکن شده با نمونه چاپ‌ شده نشان می‌دهد که حداکثر میزان انحراف حاصل‌ شده 0.1 میلی‌متر است. این میزان خطا با توجه به ماهیت انقباض و اعوجاج مواد پلیمری گرمانرم در فرآیندهای شکل‌دهی با توجه به استاندارد DIN 16901 قابل‌ قبول است.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Deposition of continuous glass fibers on a curved surface by 3D printer based on fused filament fabrication technology

نویسندگان English

Behnam Akhoundi 1
Erfan Khosravian 2
Vahid Modanloo 1
1 Assistant Professor, Department of Mechanical Engineering, Sirjan University of Technology, Sirjan, Iran
2 Assistant Professor, Department of Mechanical Engineering, Payame Noor University, Tehran, Iran
چکیده English

Improving the mechanical properties of the 3D printed parts by a 3D printer based on fused filament fabrication by continuous fibers (carbon, glass, and aramid) has been the focus of many researchers. Due to the nature of additive manufacturing processes that produce the parts layer by layer, in most of the research, continuous fibers are layered on a 2D surface. Robots with high degrees of freedom have been used in cases where fibers are placed on curved surfaces. In this research, a method for deposition of the continuous glass fibers on a curved surface is presented. This method is implemented on a simple and cheap 3D printer. The presented method is based on modifying the G-code, creating a rotating axis for the nozzle, and applying and using computer-aided design and manufacturing techniques. Finally, by 3D scanning of the printed sample and comparing it with the 3D model, the amount of deviation and tolerance of the surface form is determined. The obtained experimental results indicate the effectiveness of the presented method for the deposition of continuous fibers on curved surfaces. With the presented system, continuous fibers are deposited on a curved surface that consists of paths with different degrees of curvature, by simultaneous impregnation of fiber and polymer. Comparing the scanned sample with the printed sample shows that the maximum deviation is 0.1 mm. This error is acceptable due to the nature of shrinkage and distortion of thermoplastic polymer materials in forming processes according to the DIN 16901 standard.

کلیدواژه‌ها English

3D Printer
Fused Filament Fabrication
Continuous Glass Fibers
Curved Surfaces
Thermoplastic Polymers
Composite
[1] Abidaryan S, Akhoundi B, Hajami F. Additive manufacturing and investigation of shape memory properties of polylactic acid/thermoplastic polyurethane blend. Journal of Elastomers & Plastics. 2023;55(2):201-22. doi: 10.1177/00952443221147028
[2] Akhoundi B, Behravesh AH. Effect of Filling Pattern on the Tensile and Flexural Mechanical Properties of FDM 3D Printed Products. Experimental Mechanics. 2019;59(6):883-97. doi: 10.1007/s11340-018-00467-y
[3] Manouchehri AM, Golzar M, Masoudi A, Ghorbani H. Investigating and comparing the mechanical properties of ABS/GF continuous fiber composite and ABS polymer produced by fused deposition modeling method. Iranian Journal of Manufacturing Engineering. 2022;9(9):26-34. doi: 10.22034/ijme.2023.375334.1722 [In Persian]
[4] Nabipour M, Behravesh AH, Akhoundi B. Effect of printing parameters on Mechanical Strength of Polymer-Metal composites Printed via FDM 3D printer. Modares Mechanical Engineering. 2017;17(1):145-50. doi: 10.22034/IJME.2023.375334.1722
[5] Akhoundi B, Behravesh AH, Bagheri Saed A. Improving mechanical properties of continuous fiber-reinforced thermoplastic composites produced by FDM 3D printer. Journal of Reinforced Plastics and Composites. 2019;38(3):99-116. doi: 10.1177/0731684418807300
[6] Akhoundi B, Behravesh AH, Bagheri Saed A. An innovative design approach in three-dimensional printing of continuous fiber–reinforced thermoplastic composites via fused deposition modeling process: in-melt simultaneous impregnation. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B: Journal of Engineering Manufacture. 2020;234(1-2):243-59. doi: 10.1177/0954405419843780 
[7] Liu T, Yuan S, Wang Y, Xiong Y, Zhu J, Lu L, Tang Y. Stress-driven infill mapping for 3D-printed continuous fiber composite with tunable infill density and morphology. Additive Manufacturing. 2023;62:103374. doi: 10.1016/j.addma.2022.103374
[8] Zhang Z, Xu J, Ma Y, Sun M, Chai H, Wu H, Jiang S. Design and analysis of multistable curvilinear-fiber laminates based on continuous fiber 3D printing of thermosetting resin matrix. Composite Structures. 2023;307:116616. doi: 10.1016/j.compstruct.2022.116616
[9] Li S, Zhang H, Han Y, Lu Z, Miao K, Wang Z, Li D. Thermally assisted extrusion-based 3D printing of continuous carbon fiber-reinforced SiC composites. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 2023;172:107593. doi: 10.1016/j.compositesa.2023.107593
[10] Zhu W, Li S, Peng Y, Wang K, Ahzi S. Effect of continuous fiber orientations on quasi‐static indentation properties in 3D printed hybrid continuous carbon/Kevlar fiber reinforced composites. Polymers for Advanced Technologies. 2023;34(5):1565-74. doi: 10.1002/pat.5991
[11] Yan W, Tian X, Zhang D, Zhou Y, Wang Q. 3D Printing of Stretchable Strain Sensor Based on Continuous Fiber Reinforced Auxetic Structure. Chinese Journal of Mechanical Engineering: Additive Manufacturing Frontiers. 2023;2(2):100073. doi: 10.1016/j.cjmeam.2023.100073
[12] Zia AA, Tian X, Liu T, Zhou J, Ghouri MA, Yun J, Li W, Zhang M, Li D, Malakhov AV. Mechanical and energy absorption behaviors of 3D printed continuous carbon/Kevlar hybrid thread reinforced PLA composites. Composite Structures. 2023;303:116386. doi: 10.1016/j.compstruct.2022.116386
[13] Parker M, Ezeokeke N, Matsuzaki R, Arola D. Strength and its variability in 3D printing of polymer composites with continuous fibers. Materials & Design. 2023;225:111505. doi: 10.1016/j.matdes.2022.111505
[14] Lim JH, Weng Y, Pham Q-C. 3D printing of curved concrete surfaces using Adaptable Membrane Formwork. Construction and Building Materials. 2020;232:117075. doi: 10.1016/j.conbuildmat.2019.117075
[15] Park JH, Lee JR. Developing Fall-impact Protection Pad with 3D Mesh Curved Surface Structure using 3D Printing Technology. Polymers. 2019;11(11):1800. doi: 10.3390/polym11111800
[16] Tan WS, Juhari MAB, Shi Q, Chen S, Campolo D, Song J. Development of a new additive manufacturing platform for direct freeform 3D printing of intrinsically curved flexible membranes. Additive Manufacturing. 2020;36:101563. doi: 10.1016/j.addma.2020.101563
[17] Zhang H, Liu D, Huang T, Hu Q, Lammer H. 3D Printing Method of Spatial Curved Surface by Continuous Natural Fiber Reinforced Composite. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2020;782(2):022059. doi: 10.1088/1757-899X/782/2/022059
[18] Zhang GQ, Mondesir W, Martinez C, Li X, Fuhlbrigge TA, Bheda H, editors. Robotic additive manufacturing along curved surface — A step towards free-form fabrication. 2015 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics (ROBIO); 2015 6-9 Dec. 2015. doi: 10.1109/ROBIO.2015.7418854
[19] Shang J, Zhang W, Liu F, Wang S, Tian M, Ding X. Z-direction performance and failure behavior of 3D printed continuous fiber reinforced composites with sinusoidal structure. Composites Science and Technology. 2023;239:110069. doi: 10.1016/j.compscitech.2023.110069
[20] Akhoundi B, Nabipour M, Hajami F, Band SS, Mosavi A. Calculating filament feed in the fused deposition modeling process to correctly print continuous fiber composites in curved paths. Materials. 2020;13(20):448. doi: 10.3390/ma13204480