مهندسی ساخت و تولید ایران

مهندسی ساخت و تولید ایران

بررسی تجربی استحکام فشاری ماده مرکب پلی‌لاکتیک اسید/الیاف پیوسته شیشه تولید شده با چاپگر سه‌بعدی مبتنی بر روزن‌رانی با استفاده از سیستم آغشته‌سازی هم‌زمان الیاف و پلیمر

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسنده
استادیار، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی سیرجان، سیرجان، کرمان، ایران
چکیده
با معرفی فرایندهای ساخت افزایشی و چاپگرهای سه‌بعدی، تحقیقات بسیار زیادی در این حوزه انجام‌گرفته و در حال انجام است. روش‌های مبتنی بر روزن‌رانی پلیمر که با نام لایه نشانی ذوبی شناخته می‌شوند یکی از پرکاربردترین روش‌های ساخت افزایشی هستند. بیشترین تحقیقات انجام‌شده در روش لایه نشانی ذوبی، مربوط به افزایش خواص مکانیکی نمونه‌های چاپ‌شده است. بهینه‌سازی پارامترهای فرایند، افزودن ذرات پرکننده فلزی و غیرفلزی، استفاده از عملیات پس پردازشگر (انواع عملیات حرارتی، استفاده از امواج التراسونیک و غیره)، استفاده از الیاف پیوسته از اصلی‌ترین روش‌های به کار گرفته‌شده هستند. مؤثرترین روش در افزایش خواص مکانیکی به‌ویژه خواص مکانیکی کششی استفاده از الیاف پیوسته با استحکام بالا نظیر کربن، شیشه و آرامید است. البته استفاده از الیاف پیوسته طبیعی مانند کتان، کنف و غیره نیز مورد توجه بوده است. هدف از این پژوهش بررسی خواص فشاری نمونه‌های چاپ سه‌بعدی شده به روش لایه نشانی ذوبی است. در این راستا استحکام فشاری نمونه­های پلیمری از جنس پلی لاکتیک اسید خالص و نیز نمونه مرکب پلی لاکتیک اسید/الیاف پیوسته شیشه مورد بررسی قرار می‌گیرد. واضح است که اگر الیاف پیوسته در راستای اعمال بار فشاری قرار گیرند، توانایی تحمل بار فشاری را ندارند. لذا در این پژوهش با قرار دادن الیاف در جهت عمود بر جهت اعمال بار و با توجه به پدیده ایجاد کرنشی عرضی، الیاف تحت کشش قرارگرفته و استحکام فشاری نمونه مرکب نسبت به نمونه پلیمری خالص به میزان 10 درصد افزایش می‌یابد.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Experimental investigation of the compressive strength of polylactic acid/continuous glass fiber composite material produced with an extrusion-based 3D printer using the simultaneous impregnation system of fibers and polymer

نویسنده English

Amin Safi Jahanshahi
Assistant Professor, Faculty of Mechanical Engineering, Sirjan University of Technology, Sirjan, Kerman, Iran
چکیده English

With the introduction of additive manufacturing processes and 3D printers, a lot of research has been done and is being done in this field. Methods based on polymer extrusion, known as fused deposition modeling, are one of the most widely used additive manufacturing methods. Most of the research done in the fused deposition modeling method is related to increasing the mechanical properties of the printed samples. Optimization of process parameters, addition of metal and non-metal filler particles, use of post-processing operations (types of heat treatment, use of ultrasonic waves, etc.), and use of continuous fibers are the main methods used. The most effective method for increasing mechanical properties, especially tensile mechanical properties, is the use of continuous fibers with high strength such as carbon, glass, and aramid. Of course, the use of continuous natural fibers such as linen, hemp, etc. has also been considered. This research aims to investigate the compressive properties of 3D-printed samples using the fused deposition modeling method. In this regard, the compressive strength of polymer samples made of neat polylactic acid and composite samples of polylactic acid/continuous glass fiber is investigated. It is clear that if the continuous fibers are placed in the direction of applying the compressive load, they are not able to withstand the compressive load. Therefore, in this research, by placing the fibers in the direction perpendicular to the direction of the load and considering the phenomenon of transverse strain, the fibers are subjected to tension, and the compressive strength of the composite sample increases by 10% compared to the pure polymer sample.

کلیدواژه‌ها English

Composite Material
Additive Manufacturing
3D Printing
Compressive Strength
Continuous Fibers
[1] Mehrpouya M, Dehghanghadikolaei A, Fotovvati B, Vosooghnia A, Emamian SS, Gisario A. The potential of additive manufacturing in the smart factory industrial 4.0: A review. Applied Sciences. 2019 Sep 14;9(18):3865. doi: 10.3390/app9183865
[2] Singh D, Singh R, Boparai KS. Investigations for surface roughness and dimensional accuracy of biomedical implants prepared by combining fused deposition modelling, vapour smoothing and investment casting. Advances in Materials and Processing Technologies. 2022 Jan 2;8(1):843-62. doi: 10.1080/2374068X.2020.1835007
[3] Maleki H, Asadi P, Karimi Z, Sedghi A. Effect of weight percentage of alumina on mechanical properties of nanocomposite produced by additive manufacturing method of digital light processing. Iranian Journal of Manufacturing Engineering. 2023 Jul 23;10(5):57-67. doi: 10.22034/ijme.2023.419202.1854 [In Persian]
[4] 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 Jan 21;10(11):16-23. doi: 10.22034/ijme.2024.429126.1885 [In Persian]
[5] Mirafzali SM, Hasanabadi A. Investigating the energy absorption quality of the porous Schwarz P structure made by 3D printing method. Iranian Journal of Manufacturing Engineering. 2023 Jan 21;9(11):13-20. doi: 10.22034/ijme.2023.383269.1744 [In Persian]
[6] Akhoundi B, Behravesh AH. Effect of filling pattern on the tensile and flexural mechanical properties of FDM 3D printed products. Experimental Mechanics. 2019 Jul 15;59:883-97. doi: 10.1007/s11340-018-00467-y
[7] Akhoundi B, Hajami F. Extruded polymer instability study of the polylactic acid in fused filament fabrication process: printing speed effects on tensile strength. Polymer Engineering & Science. 2022 Dec;62(12):4145-55. doi: 10.1002/pen.26174
[8] Kechagias J, Zaoutsos S. Effects of 3D-printing processing parameters on FFF parts’ porosity: Outlook and trends. Materials and Manufacturing Processes. 2024 Apr 25;39(6):804-14. doi: 10.1080/10426914.2024.2304843
[9] Kechagias JD, Ninikas K, Vakouftsi F, Fountas NA, Palanisamy S, Vaxevanidis NM. Optimization of laser beam parameters during processing of ASA 3D-printed plates. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2024 Jan;130(1):527-39. doi: 10.1007/s00170-023-12711-4
[10] Mohammadizadeh M, Gupta A, Fidan I. Mechanical benchmarking of additively manufactured continuous and short carbon fiber reinforced nylon. Journal of Composite Materials. 2021 Oct;55(25):3629-38. doi: 10.1177/00219983211020070
[11] Araya-Calvo M, López-Gómez I, Chamberlain-Simon N, León-Salazar JL, Guillén-Girón T, Corrales-Cordero JS, Sánchez-Brenes O. Evaluation of compressive and flexural properties of continuous fiber fabrication additive manufacturing technology. Additive Manufacturing. 2018 Aug 1;22:157-64. doi: 10.1016/j.addma.2018.05.007
[12] Aloyaydi B, Sivasankaran S, Mustafa A. Investigation of infill-patterns on mechanical response of 3D printed poly-lactic-acid. Polymer Testing. 2020 Jul 1;87:106557. doi: 10.1016/j.polymertesting.2020.106557
[13] Bhandari S, Lopez-Anido RA, Gardner DJ. Enhancing the interlayer tensile strength of 3D printed short carbon fiber reinforced PETG and PLA composites via annealing. Additive Manufacturing. 2019 Dec 1;30:100922. doi: 10.1016/j.addma.2019.100922
[14] Kotsilkova R, Petrova-Doycheva I, Menseidov D, Ivanov E, Paddubskaya A, Kuzhir P. Exploring thermal annealing and graphene-carbon nanotube additives to enhance crystallinity, thermal, electrical and tensile properties of aged poly (lactic) acid-based filament for 3D printing. Composites Science and Technology. 2019 Sep 8;181:107712. doi: 10.1016/j.compscitech.2019.107712
[15] Basgul C, Yu T, MacDonald DW, Siskey R, Marcolongo M, Kurtz SM. Does annealing improve the interlayer adhesion and structural integrity of FFF 3D printed PEEK lumbar spinal cages?. Journal of the mechanical behavior of biomedical materials. 2020 Feb 1;102:103455. doi: 10.1016/j.jmbbm.2019.103455
[16] Pazhamannil RV, Krishnan C N, P G, Edacherian A. Investigations into the effect of thermal annealing on fused filament fabrication process. Advances in Materials and Processing Technologies. 2022 Sep 30;8(sup2):710-23. doi: 10.1080/2374068X.2021.1946753
[17] 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 Jan;234(1-2):243-59. doi: 10.1177/0954405419843780
[18] 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 Feb;38(3):99-116. doi: 10.1177/0731684418807300
[19]  Craig Jr RR, Taleff EM. Mechanics of materials. John Wiley & Sons; 2020.