بهینه‌سازی پارامترهای مؤثر بر الیاف خروجی دستگاه فیلامنت‌ساز ترموپلاستیک پلی‌لاکتیک اسید تقویت‌شده با الیاف پیوسته کربنی

مقالات آماده انتشار

نوع مقاله : گرایش ساخت و تولید

نویسندگان

1 کارشناسی ارشد، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه امام حسین (ع)، تهران، ایران

2 نویسنده مسئول: دانشیار، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه امام حسین (ع)، تهران، ایران

3 پژوهشگر، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه امام حسین (ع)، تهران، ایران

چکیده

روش لایه نشانی مذاب یا تهیه مواد به‌صورت ذوب‌شده یکی از روش‌های محبوب برای چاپ سه‌بعدی است. با توجه به چالش‌های موجود در تولید قطعات سه‌بعدی با استحکام مکانیکی بالا و کیفیت سطح مناسب، این تحقیق به بهینه‌سازی پارامترهای مؤثر بر الیاف خروجی دستگاه فیلامنت‌ساز جدیدی پرداخته است که توانایی تولید فیلامنت‌های کامپوزیتی تقویت‌شده را دارا می‌باشد. بهینه‌سازی فرآیند شامل بررسی پارامترهایی نظیر دمای ذوب پلیمر، سرعت جمع‌آوری فیلامنت، دمای حمام آب و سرعت آغشته‌سازی برای دستگاه فیلامنت‌ساز و تأثیر آن بر مقدار مقاومت برشی سطحی است که با استفاده از روش‌های آماری مانند طراحی آزمایش و تحلیل واریانس انجام شده است. نتایج نشان داد که تصاویر میکروسکوپ الکترونی آغشتگی یکنواخت الیاف و ماتریس را تأیید کرد. همچنین نشان داده شد که لزوماً افزایش دما سبب افزایش مقاومت برشی سطحی نمی‌شود و خطر تخریب حرارتی ماتریس وجود دارد. بعلاوه مذاب با ویسکوزیته پایین می‌تواند پایداری هندسی را مختل کند و مشخص شد که دمای بالای 230 درجه سانتی‌گراد دمای بهینه برای آغشته‌سازی فیلامنت نیست. درنتیجه شرایط بهینه فرآیند تولید فیلامنت کامپوزیتی با الیاف کربن پیوسته و رزین پلی‌لاکتیک اسید شامل دمای ذوب ۱۹۰ درجه سانتی‌گراد، دمای حمام آب 50 درجه سانتی‌گراد سرعت کشش 2 دور در دقیقه و سرعت آغشته سازی 1 دور در دقیقه به دست آمد.

چکیده تصویری

بهینه‌سازی پارامترهای مؤثر بر الیاف خروجی دستگاه فیلامنت‌ساز ترموپلاستیک پلی‌لاکتیک اسید تقویت‌شده با الیاف پیوسته کربنی

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Optimizing Parameters Affecting the Output Fibers of Thermoplastic Polylactic Acid Filament Machine Reinforced with Continuous Carbon Fibers

نویسندگان [English]

  • Payam Pourrabia 1
  • Rouhollah Hosseini 2
  • Seyyed Mohsen Mousavi-Kani 3
1 M.Sc., Department of Mechanical Engineering, Imam Hossein University, Tehran, Iran
2 Corresponding author: Associate Professor, Department of Mechanical Engineering, Imam Hossein University, Tehran, Iran
3 Researcher, Department of Mechanical Engineering, Imam Hossein University, Tehran, Iran
چکیده [English]

The fused deposition modeling (FDM) or material extrusion method is one of the most popular techniques for 3D printing. Given the challenges in producing 3D-printed parts with high mechanical strength and adequate surface quality, this study focuses on optimizing the parameters affecting the output fibers of a newly developed filament extruder, which has the capability of producing reinforced composite filaments. The optimization process involves evaluating parameters such as polymer melting temperature, filament collection speed, water bath temperature, and impregnation speed, and their effects on interfacial shear strength (IFSS). Statistical methods, such as design of experiments (DOE) and analysis of variance (ANOVA), were employed for this purpose. The results confirmed uniform impregnation of fibers and matrix through scanning electron microscope (SEM) images. It was also demonstrated that an increase in temperature does not necessarily lead to an increase in IFSS, and there is a risk of thermal degradation of the matrix. Moreover, low-viscosity melt can compromise geometric stability, indicating that temperatures above 230°C are not optimal for filament impregnation. Consequently, the optimal conditions for producing composite filaments with continuous carbon fibers and polylactic acid (PLA) resin were determined to be a melting temperature of 190°C, water bath temperature of 50°C, filament collection speed of 2 rpm, and impregnation speed of 1 rpm.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Composite material
  • Extruder
  • Interfacial Shear Strength
  • Filament collection speed
  • Impregnation Speed


Smiley face

مراجع

[1] Lee JY, An J, Chua CK. Fundamentals and applications of 3D printing for novel materials. Applied Materials Today. 2017;7:120-33. DOI: https://doi.org/10.1016/j.apmt.2017.02.004
[2] Ngo TD, Kashani A, Imbalzano G, Nguyen KT, Hui D. Additive manufacturing (3D printing): A review of materials, methods, applications and challenges. Composites Part B: Engineering. 2018;143:172-96. DOI: https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2018.02.012
[3] Yao T, Ye J, Deng Z, Zhang K, Ma Y, Ouyang H. Tensile failure strength and separation angle of FDM 3D printing PLA material: Experimental and theoretical analyses. Composites Part B: Engineering. 2020;188:107894. DOI: https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2020.107894
[4] Ning F, Cong W, Qiu J, Wei J, Wang S. Additive manufacturing of carbon fiber reinforced thermoplastic composites using fused deposition modeling. Composites Part B: Engineering. 2015;80:369-78. DOI: https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2015.06.013
[5] Kutz M. Applied plastics engineering handbook: processing and materials. William Andrew; 2011.
[6] Köhler T, Röding T, Gries T, Seide G. An overview of impregnation methods for carbon fibre reinforced thermoplastics. Key Engineering Materials. 2017;742:473-81. DOI: https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.742.473
[7] Ren F, Yu Y, Cao M, Li Y, Xin C, He Y. Effect of pneumatic spreading on impregnation and fiber fracture of continuous fiber-reinforced thermoplastic composites. Journal of Reinforced Plastics and Composites. 2017;36(21):1554-63. DOI: https://doi.org/10.1177/0731684417718085
[8] Budiyantoro C, Rochardjo HS, Nugroho G. Design, manufacture, and performance testing of extrusion–pultrusion machine for fiber-reinforced thermoplastic pellet production. Machines. 2021;9(2):42. DOI: https://doi.org/10.3390/machines9020042
[9] Ferreira F, Fernandes P, Correia N, Marques AT. Development of a pultrusion die for the production of thermoplastic composite filaments to be used in additive manufacture. Journal of Composites Science. 2021;5(5):120. DOI: https://doi.org/10.3390/jcs5050120
[10] Uşun A, Gümrük R. The mechanical performance of the 3D printed composites produced with continuous carbon fiber reinforced filaments obtained via melt impregnation. Additive Manufacturing. 2021;46:102112. DOI: https://doi.org/10.1177/0021998311424624
[11] Irfan MS, Machavaram VR, Mahendran RS, Shotton-Gale N, Wait CF, Paget MA, Hudson M, Fernando GF. Lateral spreading of a fiber bundle via mechanical means. Journal of Composite Materials. 2012;46(3):311-30. DOI: https://doi.org/10.1177/0021998311414947
[12] Torayca T300S Data Sheet. Toray Industries. Available from: Toray official documentation.
[13] Wilson S. Lateral spreading of fibre tows. Journal of Engineering Mathematics. 1997;32:19-26. DOI: https://doi.org/10.1023/A:1004253531061
[14] Zhandarov S, Pisanova E, Schneider K. Fiber-stretching test: a new technique for characterizing the fiber–matrix interface using direct observation of crack initiation and propagation. Journal of Adhesion Science and Technology. 2000;14(3):381-98. DOI: https://doi.org/10.1163/156856100742663
[15] Chandran MS, Padmanabhan K. Microbond fibre bundle pullout technique to evaluate the interfacial adhesion of polyethylene and polypropylene self reinforced composites. Applied Adhesion Science. 2019;7:1-22. DOI: https://doi.org/10.1186/s40563-019-0121-z
[16] Cech V, Janecek P, Lasota T, Bursa J. A fiber-bundle pull-out test for surface-modified glass fibers in GF/polyester composite. Composite Interfaces. 2011;18(4):309-22. DOI: https://doi.org/10.1163/092764411X570879
[17] Sakai M, Matsuyama R, Miyajima T. The pull-out and failure of a fiber bundle in a carbon fiber reinforced carbon matrix composite. Carbon. 2000;38(15):2123-31. DOI: https://doi.org/10.1016/S0008-6223(00)00067-1
[18] Bagherzadeh A, Hosseini R, Naddaf OA, Baradaran RA. Investigating the Effect of Extruder Temperature and Filament Collection Speed on the Impregnation Quality of PLA Filament Reinforced with Continuous Carbon Fibers. Aerospace Mechanics. 2023; 19(3):47-59. DOR: https://dor.isc.ac/dor/20.1001.1.26455323.1402.19.3.4.3
[19] Wu Q, Li M, Gu Y, Wang S, Wang X, Zhang Z. Reaction of carbon fiber sizing and its influence on the interphase region of composites. Journal of Applied Polymer Science. 2015;132(18). DOI: https://doi.org/10.1002/app.41917
[20] Yang TC. Effect of extrusion temperature on the physico-mechanical properties of unidirectional wood fiber-reinforced polylactic acid composite (WFRPC) components using fused deposition modeling. Polymers. 2018;10(9):976. DOI: https://doi.org/10.3390/polym10090976
[21] Chen X, Xie H, Chen H, Zhang F. Optimization for CFRP pultrusion process based on genetic algorithm-neural network. International Journal of Material Forming. 2010;3:1391-9. DOI: https://doi.org/10.1007/s12289-010-0684-5
[22] Kim H, Truong B, Buongiorno J, Hu LW. On the effect of surface roughness height, wettability, and nanoporosity on Leidenfrost phenomena. Applied Physics Letters. 2011;98(8). DOI: https://doi.org/10.1063/1.3560060
[23] Budiyantoro C, Rochardjo HS, Nugroho G. Effects of processing variables of extrusion–pultrusion method on the impregnation quality of thermoplastic composite filaments. Polymers. 2020;12(12):2833. DOI: https://doi.org/10.3390/polym12122833
مکانیک هوافضا

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از تاریخ 22 فروردین 1404

فایل ها

سابقه مقاله

  • تاریخ دریافت: 25 بهمن 1403
  • تاریخ بازنگری: 21 اسفند 1403
  • تاریخ پذیرش: 22 فروردین 1404
  • تاریخ انتشار: 22 فروردین 1404

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار