مهندسی ساخت و تولید ایران

مهندسی ساخت و تولید ایران

مدل‌سازی و بهینه‌سازی متغیر‌های موثر بر خواص کششی نمونه‌های کامپوزیتی PP/Cu چاپ‌شده با استفاده از فرایند LDM

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانش‌آموخته کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی شاهرود، شاهرود، ایران
2 استادیار، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی شاهرود، شاهرود، ایران
3 دانشجوی دکتری، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی شاهرود، شاهرود، ایران
چکیده
برای تولید کامپوزیت‌های زمینه پلیمری، می‌توان از فرایند چاپ مستقیم بدون نیاز به ساخت فیلامنت، بهره برد. این فناوری با عنوان مدل‌سازی لایه‌نشانی مایع (LDM) شناخته می‌شود. در این فرایند، مواد پلیمری آمیخته‌شده با میکرو ذرات، به صورت گرانول وارد سیلندر چاپگر شده و پس از رسیدن به دمای ذوب، بر روی بستر ماشین، چاپ می‌شوند. در این پژوهش، کامپوزیت‌های پایه پلیمری از جنس پلی پروپیلن با افزودن میکروذرات مس با استفاده از فناوری LDM تولید شدند. بدین منظور، طراحی آزمون‌های تجربی بر مبنای طرح عاملی کامل انجام شد. در ادامه، نمونه‌های کامپوزیتی منطبق بر هندسه نمونه آزمون کشش تحت تنظیمات معینی از متغیرهای ورودی مشتمل بر: ضخامت لایه، اندازه میکروذرات و درصد وزنی میکروذرات، چاپ شدند و استحکام تسلیم و انعطاف‌پذیری نمونه‌ها بر مبنای آنالیز واریانس، ارزیابی شدند. نتایج حاصل از تحلیل آماری نشان داد که ضریب تغییرات مدل‌های رگرسیون به منظور پیش‌بینی استحکام تسلیم و انعطاف‌پذیری نمونه‌ها به ترتیب مساوی 98.85 درصد و 98.63 درصد می‌باشند. همچنین، بهینه‌سازی دو هدفه با استفاده از روش مطلوبیت به منظور بیشینه‌سازی پارامترهای پاسخ انجام شد و ترکیب بهینه متغیرهای ورودی با مقدار تابع مطلوبیت 96.1 درصد تعیین گردید. مقادیر بهینه ضخامت لایه، اندازه میکروذرات و درصد وزنی میکروذرات به ترتیب مساوی 180 میکرون، 45 میکرون و 10 درصد، استخراج شدند.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Modeling and optimization of variables affecting tensile properties of printed PP/Cu composite samples using LDM process

نویسندگان English

Hassanali Mohammadi Jazi 1
Mahdi Vahdati 2
Amir Mahdavi 3
1 MSc Graduate, Faculty of Mechanical Engineering, Shahrood University of Technology, Shahrood, Iran
2 Assistant Professor, Faculty of Mechanical Engineering, Shahrood University of Technology, Shahrood, Iran
3 PhD Student, Faculty of Mechanical Engineering, Shahrood University of Technology, Shahrood, Iran
چکیده English

To produce polymer matrix composites, direct printing can be used without the need to make filament. This technology is known as liquid deposition modeling (LDM). In this process, polymer materials mixed with microparticles enter the printer cylinder in the form of granules and after reaching the melting temperature, they are printed on the machine bed. In this research, polymer-based composites made of polypropylene were produced by adding copper microparticles using LDM technology. For this purpose, experimental tests were designed based on a full factorial design. In the following, the composite samples conforming to the geometry of the tensile test sample were printed under certain settings of the input variables including: layer thickness, microparticle size and weight percentage of microparticles, and the yield strength and flexibility of the samples were evaluated based on ANOVA. The results of the statistical analysis showed that the coefficient of variation of the regression models to predict the yield strength and flexibility of the samples are equal to 98.85 % and 98.63%, respectively. Also, dual-objective optimization was performed using the desirability method in order to maximize the response parameters, and the optimal combination of input variables was determined with the desirability value of 96.1%. The optimal values of layer thickness, microparticle size and weight percentage of microparticles were extracted as equal to 180 micron, 45 micron and 10% respectively.

کلیدواژه‌ها English

Liquid Deposition Modeling
Composite
Polypropylene
Copper
Optimization
[1] Rosenthal M, Rüggeberg M, Gerber C, Beyrich L, Faludi J. Physical properties of wood-based materials for liquid deposition modeling. Rapid Prototyping Journal. 2023 May 2;29(5):1004-13. doi: 10.1108/RPJ-09-2022-0322
[2] Hsueh MH, Lai CJ, Wang SH, Zeng YS, Hsieh CH, Pan CY, Huang WC. Effect of printing parameters on the thermal and mechanical properties of 3d-printed pla and petg, using fused deposition modeling. Polymers. 2021 May 27;13(11):1758. doi: 10.3390/polym13111758
[3] Afrose MF, Masood SH, Nikzad M, Iovenitti P. Effects of build orientations on tensile properties of PLA material processed by FDM. Advanced materials research. 2014 Nov 26;1044:31-4. doi: 10.4028/www.scientific.net/AMR.1044-1045.31
[4] Sepahi MT, Abusalma H, Jovanovic V, Eisazadeh H. Mechanical properties of 3D-printed parts made of polyethylene terephthalate glycol. Journal of Materials Engineering and Performance. 2021 Sep;30:6851-61. doi: 10.1007/s11665-021-06032-4
[5] Gholizadeh Roshan A, Zolfaghari A, Shakeri M. Investigation of physical and mechanical properties of 3D printed parts by using of ABS plastic filaments filled by alumina. Iranian Journal of Manufacturing Engineering. 2020 Jun 21;7(4):1-9. [In Persian]
[6] Shakouri E. Evaluation of rotary fatigue bending and creep performance in PLA components during fused deposition modeling. Iranian Journal of Manufacturing Engineering. 2021 Nov 22;8(9):60-9. [In Persian]
[7] Verma N, Banerjee SS. Development of material extrusion 3D printable ABS/PC polymer blends: influence of styrene–isoprene–styrene copolymer on printability and mechanical properties. Polymer-Plastics Technology and Materials. 2023 Mar 4;62(4):419-32. doi: 10.1080/25740881.2022.2121218
[8] Koohfar S, Vahdati M. Experimental study and statistical analysis of the effect of FDM parameters on yield strength and fracture strength of printed polymer samples. 32th Annual International Conference of Iranian Society of Mechanical Engineers (ISME 2024). 2024 May 7; Arak, Iran. [In Persian]
[9] Mallikarjuna B, Mallesh V, Vardhan MS, Vadivudaiyanayak HG, Datta PG. Effect of Process Parameters on Mechanical Properties in Fused Deposition Modelling of Polyethylene Terephthalate Glycol. Procedia Structural Integrity. 2024 Jan 1;56:160-6. doi: 10.1016/j.prostr.2024.02.051
[10] Busico V, Cipullo R. Microstructure of polypropylene. Progress in Polymer Science. 2001 Apr 1;26(3):443-533. doi: 10.1016/S0079-6700(00)00046-0
[11] AbouelNour Y, Rakauskas N, Naquila G, Gupta N. Tensile testing data of additive manufactured ASTM D638 standard specimens with embedded internal geometrical features. Scientific Data. 2024 May 16;11(1):506. doi: 10.1038/s41597-024-03369-y
[12] Akram W, Garud N. Design expert as a statistical tool for optimization of 5-ASA-loaded biopolymer-based nanoparticles using Box Behnken factorial design. Future Journal of Pharmaceutical Sciences. 2021 Dec;7:1-7. doi: 10.1186/s43094-021-00299-z
[13] Dean A, Voss D. Design and analysis of experiments. New York, NY: Springer New York; 1999. doi: 10.1007/0-387-22634-6_15
[14] Isapour Rudy M, Vahdati M, Mirnia MJ. Statistical Analysis and Optimization of Variables Affecting the End Diameter of AISI 304 Steel Tube Produced by Flaring Process. Amirkabir Journal of Mechanical Engineering. 2023 Feb 20;54(12):2861-76. doi: 10.22060/MEJ.2022.21622.7479 [In Persian]