مهندسی ساخت و تولید ایران

مهندسی ساخت و تولید ایران

بررسی تجربی اثر پارامترهای چاپ بر استحکام بین رشته‌ای در یک تک لایه از جنس پلی لاکتیک اسید چاپ‌شده به روش لایه نشانی ذوبی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
مریم ابولی‌زاده 1
نسرین امینی‌زاده 2
امین صفی جهان‌شاهی 2
بهنام آخوندی 2
1 دانشجوی کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی سیرجان، کرمان، ایران
2 استادیار، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی سیرجان، کرمان، ایران
10.22034/ijme.2024.468611.1986
چکیده
فرآیند لایه نشانی ذوبی یکی از پرکاربردترین روش‌های ساخت افزایشی است. در فرآیند لایه نشانی ذوبی هر لایه با قرارگیری رشته‌ها در کنار یکدیگر شکل می‌گیرد، با افزایش استحکام اتصال بین رشته‌ها و همچنین لایه‌ها می‌توان خواص مکانیکی قطعه چاپ‌شده را افزایش داد. لذا در این پژوهش در ابتدا رابطه بین دمای رشته لایه نشانی شده و پارامترهای چاپ به‌صورت تئوری بررسی می‌گردد. این امر سبب شناسایی و اثر هر پارامتر بر روی میزان افت دما در رشته لایه نشانی شده می‌شود. سپس اثر پارامترهای چاپ، شامل دمای نازل، عرض روزن‌رانی، ارتفاع لایه،سرعت چاپ و الگوی پر شدن، بر استحکام کششی یک تک لایه به‌منظور تعیین استحکام بین‌رشته‌ای بررسی می‌شود. نتایج تئوری بیان‌گر این امر است که زمانی که دمای نازل 210 درجه سانتی‌گراد، عرض روزن‌رانی 0.8 میلی‌متر، ارتفاع لایه 0.3 میلی‌متر و سرعت چاپ 80 میلی‌متر بر ثانیه است، حداقل افت دما به میزان 38 درصد از 210 به 152 درجه سانتی‌گراد در رشته لایه نشانی شده اتفاق می‌افتد. همچنین پارامترهای ارتفاع لایه، سرعت چاپ، دمای نازل و عرض روزن‌رانی به ترتیب بیشترین اثر بر روی افت دما را دارند. حداکثر افت دما به میزان 303 درصد از دمای 210 به 52 درجه سانتی‌گراد است. همچنین تحلیل واریانس نتایج حاصل از آزمون کشش نشان می‌دهد که اثر پارامترهای الگوی پر شدن، سرعت چاپ، عرض روزن‌رانی، ارتفاع لایه و دمای نازل به ترتیب برابر با 82.05، 6.41، 5.86، 2.84 و 2.84 درصد است. حداکثر استحکام کششی به مقدار 72 مگاپاسکال برای نمونه‌ای که در آن دمای نازل، عرض روزن‌رانی، ارتفاع لایه، سرعت چاپ و الگوی پر شدن به ترتیب برابر با 210 درجه سانتی‌گراد، 0.8 میلی‌متر، 0.3 میلی‌متر، 80 میلی‌متر بر ثانیه و زیگزاگ است، حاصل گردید. حداکثر میزان افزایش استحکام کششی در تمام نمونه‌ها به میزان 109 درصد یعنی از 34.5 به 72 مگاپاسکال است. همچنین در نمونه‌هایی که در آن‌ها حداکثر استحکام بین‌ رشته‌ای ایجادشده است، نمونه دچار گلویی شده و پارگی و جدایش بین رشته‌ای در نمونه‌ها دیده نمی‌شود.
کلیدواژه‌ها
چاپ سه‌بعدی
استحکام بین‌ رشته‌ای
ساخت افزایشی
خواص مکانیکی
تحلیل حرارتی

عنوان مقاله English

Experimental investigation of printing parameters' effect on the inter-raster strength in a single layer of polylactic acid material printed by fused deposition modeling process

نویسندگان English

Maryam Abolizadeh 1
Nasrin Aminizadeh 2
Amin Safi Jahanshahi 2
Behnam Akhoundi 2
1 MSc Student, Faculty of Mechanical Engineering, Sirjan University of Technology, Kerman, Iran
2 Assistatnt Professor, Faculty of Mechanical Engineering, Sirjan University of Technology, Kerman, Iran
چکیده English

The fused deposition modeling process is one of the most widely used additive manufacturing methods. In this process, each layer is formed by placing rasters next to each other. By increasing the strength of the connection between the rasters and the layers, the mechanical properties of the printed part can be increased. Therefore, in this research, at first, the relationship between the temperature of the deposited raster and the printing parameters is theoretically determined. This causes the identification and effect of each parameter on the amount of temperature drop in the deposited raster. Then the effect of printing parameters, including nozzle temperature, extrusion width, layer height, printing speed, and filling pattern, on the tensile strength of a single layer is investigated to determine the inter-raster strength. The theoretical results show that when the nozzle temperature is 210°C, the extrusion width is 0.8 mm, the layer height is 0.3 mm, and the printing speed is 80 mm/s, the minimum temperature drop of 38% from 210 to 152 °C occurs in the deposited raster. Also, the parameters of layer height, printing speed, nozzle temperature, and extrusion width have the greatest effect on temperature drop respectively. The maximum temperature drop is 303% from 210 to 52 °C. Also, the variance analysis of the results of the tensile test shows that the effect of the parameters of the filling pattern, printing speed, extrusion width, layer height, and nozzle temperature are 82.05, 6.41, 5.86, 2.84 and 2.84%, respectively. The maximum tensile strength is 72 MPa for the sample where the nozzle temperature, extrusion width, layer height, printing speed, and filling pattern are equal to 210°C, 0.8 mm, 0.3 mm, 80 mm/s, and zigzag, respectively. The maximum increase in tensile strength in all samples is 109%, from 34.5 to 72 MPa. Also, in the samples in which the maximum inter-raster strength has been created, the necking phenomena occur, and inter-raster separation is not seen in the samples.

کلیدواژه‌ها English

3D Printing
Inter-Raster Strength
Additive Manufacturing
Mechanical Properties
Thermal Analysis
[1] Safi Jahanshahi A. 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. Iranian Journal of Manufacturing Engineering. 2024 Mar 20;11(1):51-60. doi: 10.22034/ijme.2024.442326.1929 [In Persian]
[2] Kechagias JD. Surface roughness assessment of ABS and PLA filament 3D printing parts: structural parameters experimentation and semi-empirical modelling. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2024 Aug 12:1-2. doi: 10.1007/s00170-024-14232-0 
[3] 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]
[4] Wei X, Bähr R. A comparative study of 3D printing with virgin and recycled polylactic acid filaments. CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology. 2024 Nov 1;54:75-84. doi: 10.1016/j.cirpj.2024.08.007 
[5] Dhanapal R, Alagumalai V, Shanmugam V. Exploring the dynamic mechanical properties of fused filament fabrication printed polyetheretherketone with various infill patterns. Progress in Additive Manufacturing. 2024 Sep 16:1-6. doi: 10.1007/s40964-024-00792-w
[6] Kechagias JD, Zaoutsos SP, Fountas NA, Vaxevanidis NM. Experimental investigation and neural network development for modeling tensile properties of polymethyl methacrylate (PMMA) filament material. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2024 Sep 11:1-2. doi: 10.1007/s00170-024-14402-0 
[7] Gao X, Qi S, Kuang X, Su Y, Li J, Wang D. Fused filament fabrication of polymer materials: A review of interlayer bond. Additive Manufacturing. 2021 Jan 1;37:101658. doi: 10.1016/j.addma.2020.101658 
[8] Kumar MS, Farooq MU, Ross NS, Yang CH, Kavimani V, Adediran AA. Achieving effective interlayer bonding of PLA parts during the material extrusion process with enhanced mechanical properties. Scientific Reports. 2023 Apr 26;13(1):6800. doi: 10.1038/s41598-023-33510-7 
[9] Tamburrino F, Graziosi S, Bordegoni M. The influence of slicing parameters on the multi-material adhesion mechanisms of FDM printed parts: An exploratory study. Virtual and Physical Prototyping. 2019 Oct 2;14(4):316-32. doi: 10.1080/17452759.2019.1607758 
[10] Sabyrov N, Abilgaziyev A, Ali MH. Enhancing interlayer bonding strength of FDM 3D printing technology by diode laser-assisted system. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2020 May;108:603-11. doi: 10.1007/s00170-020-05455-y 
[11] Radzuan NA, Sulong AB, Verma A, Muhamad N. Layup sequence and interfacial bonding of additively manufactured polymeric composite: A brief review. Nanotechnology Reviews. 2021 Nov 20;10(1):1853-72. doi: 10.1515/ntrev-2021-0116 
[12] Yu N, Sun X, Wang Z, Zhang D, Li J. Effects of auxiliary heat on the interlayer bonds and mechanical performance of polylactide manufactured through fused deposition modeling. Polymer Testing. 2021 Dec 1;104:107390. doi: 10.1016/j.polymertesting.2021.107390 
[13] Stamopoulos AG, Scipioni SI, Lambiase F. Experimental characterization of the interlayer fracture toughness of FDM components. Composite Structures. 2023 Sep 15;320:117213. doi: 10.1016/j.compstruct.2023.117213 
[14] Yin J, Lu C, Fu J, Huang Y, Zheng Y. Interfacial bonding during multi-material fused deposition modeling (FDM) process due to inter-molecular diffusion. Materials & Design. 2018 Jul 15;150:104-12. doi: 10.1016/j.matdes.2018.04.029 
[15] Bellehumeur C, Li L, Sun Q, Gu P. Modeling of bond formation between polymer filaments in the fused deposition modeling process. Journal of manufacturing processes. 2004 Jan 1;6(2):170-8. doi: 10.1016/S1526-6125(04)70071-7 
[16] Xu D, Zhang Y, Pigeonneau F. Thermal analysis of the fused filament fabrication printing process: Experimental and numerical investigations. International Journal of Material Forming. 2021 Jul;14:763-76. doi: 10.1007/s12289-020-01591-8 
[17] 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 
[18] Akhoundi B, Modanloo V. Investigation and feasibility of printing polyoxymethylene semi-crystalline polymer parts with fused filament fabrication 3D printer and evaluation of mechanical properties of the printed samples. Journal of Materials Engineering and Performance. 2023 Aug 21:1-0. doi: 10.1007/s11665-023-08619-5 
[19] Galati M, Minetola P. On the measure of the aesthetic quality of 3D printed plastic parts. International Journal on Interactive Design and Manufacturing (IJIDeM). 2020 Jun;14(2):381-92. doi: 10.1007/s12008-019-00627-x 
[20] Sadaghian H, Khodadoost S, Seifiasl A, Buswell RA. Preliminary Insight Into Torsion of Additively-Manufactured Polylactic Acid (PLA)-Based Polymers. Experimental Mechanics. 2024 Sep 6:1-22. doi: 10.1007/s11340-024-01105-6
[21] Sidim G, Dogu M, Ozbek B. Manufacturing and characterization of continuous carbon fiber reinforced polyphenylene sulfide filaments via melt impregnation method. Polymer Composites. 2024. doi: 10.1002/pc.29021 
[22] Sohrabian M, Masnavian Motlagh A, Sameezadeh M, Kakhki M. Heat treatment of FDM and SLS delicate additive manufacturing products: mechanical properties enhancement and dimensional accuracy. Progress in Additive Manufacturing. 2024 Sep 16:1-6. doi: 10.1007/s40964-024-00796-6
[23] 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 
[24] Vaes D, Coppens M, Goderis B, Zoetelief W, Van Puyvelde P. The extent of interlayer bond strength during fused filament fabrication of nylon copolymers: An interplay between thermal history and crystalline morphology. Polymers. 2021 Aug 11;13(16):2677. doi: 10.3390/polym13162677
[25] 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 
[26] Akhoundi B, Nabipour M, Kordi O, Hajami F. Calculating printing speed in order to correctly print PLA/continuous glass fiber composites via fused filament fabrication 3D printer. Journal of Thermoplastic Composite Materials. 2023 Jan;36(1):162-81. doi: 10.1177/0892705721997534 
[27] Paraskevoudis K, Karayannis P, Koumoulos EP. Real-time 3D printing remote defect detection (stringing) with computer vision and artificial intelligence. Processes. 2020 Nov 16;8(11):1464. doi: 10.3390/pr8111464 
[28] Eva SC, Sover A, Ermolai V. The impact of the G-code flavour selection in FFF. In4th International Conference Business Meets Technology 2022 2023 Jan 10 (pp. 54-62). Editorial Universitat Politècnica de València. doi: 10.4995/BMT2022.2022.15547