اثر پارامترهای چاپ و جنس رشته بر عملکرد مکانیکی قطعات ساخت رشته ذوبی تقویت‌شده با نیروی غلتکی

نوع مقاله : پژوهشی

نویسندگان

سمنان، دانشگاه سمنان، دانشکده مهندسی مکانیک

10.22063/jipst.2026.35799.2432

چکیده

فرضیه: در این پژوهش فرض بر آن است که اعمال نیروی فشاری به‌کمک غلتک در حین فرایند چاپ سه‌بعدی با روش ساخت رشته ذوبی (FFF) می‌تواند موجب بهبود چسبندگی بین‌لایه‌ای و در نتیجه افزایش استحکام مکانیکی قطعات ساخته‌شده از پلی(‌لاکتیک اسید) (PLA)، آکریلونیتریل بوتادی‌ان استیرن (ABS) و ترکیب آن‌ها شود.
روش‌ها: برای بررسی این فرضیه، نمونه‌های آزمون کشش با استفاده از استاندارد ASTM D638 به‌کمک چاپگر سه‌بعدی مجهز به سازوکار اعمال فشار غلتکی تولید شدند. طراحی آزمایش با روش سطح پاسخ و طرح مرکب مرکزی (CCD) انجام شد که شامل دو متغیر پیوسته (سرعت چاپ و نیروی غلتک) و یک متغیر گسسته (جنس رشته) بود. آزمون کشش با دستگاه SANTAM STM-400 و سرعت mm/minn   5 انجام شد. همچنین برای تحلیل سطوح شکست از میکروسکوپ الکترونی پویشی گسیل میدانی (FE-SEM) استفاده شد. داده‌ها با نرم‌افزار Design-Expert 13 تحلیل شد تا اثرهای اصلی و برهم‌کنش پارامترها بر استحکام کششی ارزیابی شود.
یافته‌ها: نتایج تحلیل واریانس نشان داد، جنس رشته و برهم‌کنش آن با نیروی غلتک اثر معناداری بر استحکام کششی دارند (p < 0.05). اعمال نیروی فشاری موجب بهبود چسبندگی بین‌لایه‌ای، کاهش ضخامت لایه، افزایش زاویه برش بین رسترها و هم‌راستایی زنجیرهای پلیمری در راستای نیرو شد که در نهایت استحکام کششی را افزایش داد. در شرایط بهینه، بیشینه استحکام کششی برای نمونه‌های PLA، ABS و PLA/ABS به‌ترتیب 58.8، 34.7و 247.2 MPa به‌دست آمد که نسبت به نمونه‌های بدون غلتک تا حدود %10.9 افزایش نشان داد. نتایج FE-SEM نیز کاهش ضخامت لایه و بهبود پیوند بین‌لایه‌ای را تأیید کرد. به‌طور کلی، اعمال نیروی غلتک حین چاپ می‌تواند بدون نیاز به عملیات پس‌فرایندی، استحکام و کیفیت قطعات ساخت رشته ذوبی را به‌طور مؤثری بهبود دهد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Effect of printing parameters and filament material on mechanical properties of roller-reinforced FFF parts

نویسندگان [English]

  • Abdolvahed Kami
  • Hossein Sattari Naeeni
  • Ali Jadali
Semnan University
چکیده [English]

Hypothesis: This study hypothesizes that applying compressive force by a roller during the Fused Filament Fabrication (FFF) 3D printing process can enhance interlayer adhesion and consequently improve the mechanical strength of parts fabricated from polylactic acid (PLA), acrylonitrile butadiene styrene (ABS), and their blend.
Methods: To examine this hypothesis, tensile test specimens were fabricated according to ASTM D638 using a modified FFF 3D printer equipped with a roller-pressure mechanism. The experiments were designed based on the Response Surface Methodology (RSM) with a Central Composite Design (CCD), including two continuous variables (printing speed and roller force) and one discrete variable (filament type). Tensile tests were conducted using a SANTAM STM-400 machine at a crosshead speed of 5 mm/min. The fracture surfaces were analyzed using a Field Emission Scanning Electron Microscope (FESEM). The data were processed using Design-Expert 13 software to evaluate the main and interaction effects of the parameters on tensile strength.
Findings: Analysis of variance (ANOVA) revealed that the filament type and its interaction with roller force had a statistically significant effect on tensile strength (p < 0.05). The applied compressive force improved interlayer bonding, reduced layer thickness, increased the raster shear angle, and promoted polymer chain alignment along the load direction, leading to enhanced tensile performance. Under optimized conditions, the maximum tensile strengths of PLA, ABS, and PLA/ABS samples were 58.8, 34.7, and 45.2 MPa, respectively, corresponding to an improvement of up to 10.9% compared to samples printed without roller pressure. FESEM observations further confirmed the reduced layer thickness and improved interlayer fusion. Overall, the application of roller force during FFF printing effectively enhances the strength and quality of printed components without the need for post-processing treatments.

کلیدواژه‌ها [English]

  • 3D printing
  • Fused Filament Fabrication (FFF)
  • roller compressive force
  • tensile strength
  • dual-material printing