اثر پارامترهای فرایندی چاپگر ساخت رشته ذوبی بر استحکام کششی و چگالی نانوکامپوزیت‌های پلی( لاکتیک اسید)-نانورس

نوع مقاله : پژوهشی

نویسندگان

ارومیه، دانشگاه ارومیه، دانشکده فنی و مهندسی، گروه مهندسی مکانیک، صندوق پستی 57561-15311

10.22063/jipst.2024.3495.2266

چکیده

فرضیه‌: روش ساخت رشته ذوبی به‌دلیل مزایای آن، از جمله سادگی استفاده، مقرون به‌صرفه‌بودن و دسترس‌پذیری، پرکاربردترین روش تولید افزودنی است. خواص مکانیکی پلی(‌لاکتیک اسید) چاپ‌شده با روش ساخت رشته ذوبی را می‌توان با ترکیب آن‌ها با نانومواد نظیر نانورس و بهینه‌سازی پارامترهای فرایندی چاپ مانند دمای چاپ و زاویه رستر، به‌طور شایان توجهی بهبود بخشید.
روش‌ها: برای بررسی و بهینه‌سازی چندهدفی فرایند چاپ سه‌بعدی نمونه‌های نانوکامپوزیتی پلی(‌لاکتیک اسید) تقویت‌شده با نانوذرات رس از روش سطح پاسخ به‌عنوان یکی از روش‌های طراحی آزمایش‌ها، استفاده شد. دمای افشانک (190، 210 و 230 درجه سلسیوس)، زاویه رستر (0، 45 و °90) و مقدار نانورس (0، 2 و %4 وزنی) برای بهینه‌سازی پاسخ‌های خروجی مطالعه شدند. اختلاط ذوبی پلی(‌لاکتیک اسید) با نانوذرات رس با اکسترودر دو‌پیچی انجام شد و به‌کمک دانه‌ساز، دانه‌های کامپوزیتی پلی(‌لاکتیک اسید) دارای 2 و %4 وزنی نانورس تهیه شدند. دانه‌های کامپوزیتی تهیه‌شده وارد اکسترودر تک‌پیچی شده و رشته‌های کامپوزیتی تولید شدند.
یافته‌ها: براساس نتایج بررسی مشارکت پارامترها بر داده‌های چگالی اثر متقابل درصد وزنی نانورس و دمای افشانک به‌ترتیب بیشترین مشارکت و زاویه رستر کمترین اثرگذاری را بر داده‌های چگالی داشته و برای نتایج استحکام کششی، مقدار درصد وزنی نانورس بیشترین اثرگذاری و اثر متقابل درصد وزنی نانورس و زاویه رستر کمترین اثرگذاری را در بین پارامترهای بررسی‌شده داشتند. همچنین نتایج مربوط به بهینه‌سازی چندهدفی نشان داد، بیشترین سطح درصد وزنی نانورس (%4 وزنی)، بیشترین سطح دمای افشانک (230 درجه سلیسوس) و زاویه رستر حدود °25.5، بهینه شرایط فرایندی برای دستیابی به بیشینه استحکام کششی 33.78MPa و کمینه چگالی1.089g/cm3 است.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Effect of Printer Process Parameters of Fused Filament Fabrication on the Tensile Strength and Density of Polylactic Acid/Nanoclay Nanocomposites

نویسندگان [English]

  • Taher Azdast
  • Rezgar Hasanzadeh
  • Peyman Mihankhah
Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, Urmia University, P.O. Box: 15311-57561, Urmia, Iran
چکیده [English]

Hypothesis: Fused filament fabrication (FFF) method is widely used in additive manufacturing due to its benefits, such as ease of use, cost-effectiveness, and availability. The mechanical properties of polylactic acid (PLA) printed by the FFF method can be significantly improved by combining them with nanomaterials such as nanoclay and optimizing the printing process parameters such as printing temperature and raster angle.
Methods: In order to investigate and optimize the multi-objective 3D printing process of PLA nanocomposite samples reinforced by nanoclay, the response surface method (RSM) was used as one of the methods of design of experiments. Nozzle temperature (190, 210 and 230°C), raster angle (0, 45 and 90°) and nanoclay weight percentage (0, 2 and 4% by wt) were studied to optimize output responses. Melt mixing of PLA with nanoclay particles was done using a twin-screw extruder machine and a granulator machine. The composite granules of PLA were prepared with 2 and 4% (by wt) of nanoclay. The prepared composite granules were entered into a single-screw extruder and composite filaments were produced.
Findings: The analysis of parameter participation in the density data reveals that the weight percentage of nanoclay and the nozzle temperature exhibit the most substantial influence, while raster angle has the least impact. Conversely, when considering tensile strength results, the weight percentage of nanoclay is the dominant factor, while the interaction between the weight percentage of nanoclay and raster angle has the smallest influence among the parameters under investigation. The multi-objective optimization results revealed that the optimal process conditions to achieve maximum strength are a nanoclay weight percentage of 4% (by wt), a nozzle temperature of 230°C, and a raster angle of about 25.5°. The tensile strength of the parts produced is 33.78 MPa, and their density is at least 1.089 g/cm3.

کلیدواژه‌ها [English]

  • fused filament fabrication (FFF)
  • 3D printing parameters
  • polylactic acid/nanoclay composite
  • mechanical properties
  • optimization

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار