مهندسی ساخت و تولید ایران

مهندسی ساخت و تولید ایران

تأثیر چسبندگی بین لایه‌ای در پیش‌بینی شکست خستگی قطعات ساخته‌شده با پرینت سه‌بعدی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 فارغ‌التحصیل کارشناسی‌ارشد، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل، بابل، ایران
2 دانشیار، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران
3 استادیار، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل، بابل، ایران
چکیده
امروزه استفاده از تولید افزودنی یا به عبارتی پرینت سه­بعدی در صنایع مختلف ازجمله حوزه پزشکی رشد چشم‌گیری داشته است که از به‌­روز­ترین کاربرد­های آن در این حوزه تولید ایمپلنت‌­های بین مهره‌­ای است. نظر به تأثیر بسیار زیاد چسبندگی بین لایه‌ای در عمر نهایی قطعات ساخته‌ شده به روش پرینت سه‌بعدی، در این مطالعه، با استفاده از تحلیل اجزا محدود برای پیش‌بینی شکست خستگی در ایمپلنت مهره پایین کمر ساخته ‌شده توسط پرینتر سه‌بعدی مورد مطالعه قرار گرفته است. در این راستا با استفاده از روش لایه نشانی ذوبی، چندین نمونه قطعات استاندارد آزمون کشش و مهره پایین کمر ساخته ‌شده است و آزمایش‌های استحکام مکانیکی انجام می‌گردد. ماده مورد استفاده شده جهت انجام این تحقیق، ماده اولیه پلی لاکتیک اسید است که با این ماده در دو راستای افقی و عمودی قطعات نمونه استاندارد کشش و خستگی با مشخصات ضخامت لایه 0/3 میلی‌متر، قطر نازل 0/4 میلی‌متر ، زاویه پرینت 45-/45 و سرعت ساخت 20 میلی­‌متر بر ثانیه پرینت شده‌اند. نتایج به دست آمده نشان می‌دهد که راستای پرینت قطعات بسیار در عمر خستگی قطعات مؤثر بوده و مدل اجزای محدود مورد استفاده با دقت قابل قبولی عمر خستگی قطعات را پیش‌بینی می‌کند.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

The effect of interlayer adhesion in predicting fatigue failure of 3D printed parts

نویسندگان English

Ehsan Amini 1
Alireza Fathi 2
Ali-Mohammad Baghestani 3
1 MSc Graduate, Department of Mechanical Engineering, Babol Noshirvani University of Technology, Babol, Iran
2 Associated Professor, Department of Mechanical Engineering, Ferdowsi University, Mashhad, Iran
3 Assistant Professor, Department of Mechanical Engineering, Babol Noshirvani University of Technology, Babol, Iran
چکیده English

Today, the use of additive manufacturing has grown significantly in various industries, including the medical field, and one of its most recent applications in this field is the production of lumbar fusion cage implants. Considering the high impact of interlayer adhesion on the final life of parts made by 3D printing method, in this study, using finite element analysis to predict fatigue failure in lower back vertebra implants made by 3D printing has been studied. In this regard, using the fused deposition modeling (FDM) method, several samples of standard tensile test parts and lower back vertebrae have been made, and mechanical strength tests have been performed. The material used to carry out this research is polylactic acid, with this material, in both horizontal and vertical directions, the standard tensile and fatigue samples with the characteristics of layer thickness of 0.3 mm, nozzle diameter of 0.4 mm, print angle 45/45 and the production speed of 20 mm/s have been printed. The obtained results show that the printing alignment of the parts is very effective in the fatigue life of the parts and the finite element model predicts the fatigue life of the parts with acceptable accuracy.

کلیدواژه‌ها English

Fatigue Failure
Body Implant
3D-Printing
Fused Deposition Modeling (FDM)
Finite Elements
[1] Saraeian P, Shakouri E. Evaluation of rotary fatigue bending and creep performance in PLA components during fused deposition modeling. Iranian Journal of Manufacturing Engineering. 2021;8(9):60-69, [In Persian]
[2] Akhoundi B, Khosravian E, Modanloo V. Deposition of Continuous Glass Fibers on a Curved Surface by 3D Printer Based on Fused Filament Fabrication Technology. Iranian Journal of Manufacturing Engineering, 2024. doi: 10.22034/ijme.2024.429126.1885 [In Persian]
[3] Hooshmand MJ, Mansour S. Investigating the effect of build orientation on surface roughness and build time using Fused Deposition Modelling. Iranian Journal of Manufacturing Engineering, 2021;7(12):37-53. [In Persian]
[4] Chang Z, Chen Y, Schlangen E, Šavija B. A review of methods on buildability quantification of extrusion-based 3D concrete printing: From analytical modelling to numerical simulation. Developments in the Built Environment; 2023;16:100241. doi: 10.1016/j.dibe.2023.100241
[5] Ngo TD, Kashani A, Imbalzano G, Nguyen KT, Hui D. Additive manufacturing (3D printing): A review of materials, methods, applications and challenges. Composites Part B: Engineering, 2018;143:172-196. doi: 10.1016/j.compositesb.2018.02.012
[6] Bekas DG, Hou Y, Liu Y, Panesar A. 3D printing to enable multifunctionality in polymer-based composites: A review, Composites Part B: Engineering, 2019;179:107540, doi: 10.1016/j.compositesb.2019.107540
[7] Yuan L, Ding S, Wen C. Additive manufacturing technology for porous metal implant applications and triple minimal surface structures: A review, Bioactive Materials, 2019;4:56-70. doi: 10.1016/j.bioactmat.2018.12.003
[8] Ziemian C, Sharma M, Ziemian S. Anisotropic mechanical properties of ABS parts fabricated by fused deposition modelling. Mechanical engineering. 2012 Apr 11;23:159-80. doi: 10.5772/34233
[9] Gibson I, Rosen DW, Stucker B, Gibson I, Rosen DW, Stucker B. Photopolymerization processes. Additive Manufacturing Technologies: Rapid Prototyping to Direct Digital Manufacturing. 2010:78-119. doi: 10.1007/978-1-4939-2113-3
[10] Ziemian S, Okwara M, Ziemian CW. Tensile and fatigue behavior of layered acrylonitrile butadiene styrene. Rapid Prototyping Journal, 2015;21(3):270-278. doi: 10.1108/RPJ-09-2013-0086
[11] Ziemian CW, Ziemian RD, Haile KV. Characterization of stiffness degradation caused by fatigue damage of additive manufactured parts. Materials & Design. 2016 Nov 5;109:209-18. doi: 10.1016/j.matdes.2016.07.080
[12] ASTM International. ASTM D638-14. Standard test method for tensile properties of plastics. ASTM International; 2015.
[13] Corbett T, Kok T, Lee C, Smith ST, Villarraga H, Tarbutton JA. Identification of mechanical and fatigue characteristics of polymers fabricated by additive manufacturing process. in ASPE Spring Topical Meeting. 2014;57:186:9.
[14] Adhikari B. Strength and failure mechanisms in 3D printed parts [dissertation]. Aalto University School of Engineering; 2016.
[15] Landes JD, McCabe DE, Boulet JA, editors. Fracture mechanics: twenty-fourth volume. ASTM International;1994.
[16] Provaggi E, Capelli C, Rahmani B, Burriesci G, Kalaskar DM. 3D printing assisted finite element analysis for optimising the manufacturing parameters of a lumbar fusion cage. Materials & Design, 2019;163:107540. doi: 10.1016/j.matdes.2018.107540
[17] Noailly J, Lacroix D, Planell JA. Finite element study of a novel intervertebral disc substitute. Spine, 2005 Oct 15;30(20):2257-64. doi: 10.1097/01.brs.0000182319.81795.72