28797

بررسي اثر عمليات پس از ساخت روي خواص چقرمگي شكست داخل صفحه‌اي قطعات ساخته‌شده به روش ساخت افزايشي

كارشناسي ارشد

مهندسي مكانيك- ساخت و توليد

1400

1402/7/3

مجيدرضا آيت‌اللهي

مهندسي مكانيك

فرآيند ساخت افزايشي كه با نام پرينت سه بعدي نيز شناخته مي‌شود، با توجه فراهم‌كردن امكان ساخت هر چه سريع‌تر نمونه‌ي نهايي و نيز قابليت ساخت هندسه‌هاي پيچيده، امروزه علاوه بر جامعه‌ي محققين از طرف صنعت نيز بسيار مورد توجه قرار گرفته‌است. يكي از عوامل محدود‌كننده در استفاده از ساخت افزايشي، كافي نبودن بررسي خواص مكانيكي قطعات ساخته‌شده به اين روش مي‌باشد. در اين پايان‌نامه، ابتدا نمونه‌هاي آزمون كشش ساده و خمش سه‌نقطه‌اي، توسط روش ساخت افزايشي مدل‌سازي رسوبي ذوبي (FDM) در سه زاويه‌ي رستر متفاوت 0/90، 22/68- و 45/45- درجه، از فيلامنت با جنس آكريلونيتريل بوتادين استايرن (ABS)، ساخته شدند. سپس با انتخاب چهار عمليات حرارتي، كه شامل تركيب دو دماي 125 و 165 درجه سلسيوس و دو فشار روي سطح نمونه‌ها در شرايط كوره مي‌باشند، اين نمونه‌ها تحت عمليات حرارتي قرار گرفتند. يك حالت معمول (بدون عمليات حرارتي) نيز براي مبناي مقايسه در نظر گرفته‌شد. سپس با برش نمونه‌ها و ايجاد ترك در سه زاويه‌ي 0، 20 و 40 درجه نسبت به راستاي عمودي در نمونه‌هاي شكست، آزمون خمش سه‌نقطه‌اي انجام شد. به علاوه روي نمونه‌هاي دمبلي‌شكل، آزمون كشش ساده به كمك تحليل برهمنگاري تصاوير ديجيتال (DIC) صورت گرفت. با استخراج نتايج شامل نيروها و كرنش‌ها كه از پردازش تصاوير در روش DIC به دست آمدند، منحني‌هاي تنش-كرنش، تنش تسليم مهندسي، مدول الاستيسيته و ضريب پواسون محاسبه شدند. همچنين با استفاده از مقادير نيروي شكست تجربي و ضرايب هندسي به دست آمده از شبيه‌سازي المان محدود، ضرايب شدت تنش در لحظه‌ي شكست محاسبه شدند. به منظور پيش‌بيني بار شكست، سه معيار بيشينه‌ي تنش مماسي (MTS)، بيشينه‌ي تنش مماسي تعميم‌يافته (GMTS) و نيز GMTS در تركيب با مفهوم ماده‌ي معادل (EMC) تبيين و استفاده شد. به دليل مشاهده ناحيه‌ي پلاستيك قابل توجه در نمونه‌ها و به خصوص نمونه‌هاي عمليات حرارتي‌شده، معيار GMTS به كمك مفهوم EMC نزديك ترين نتايج را به نتايج آزمايشگاهي ارائه داده است. نتيجه گرفته شد كه با انتخاب عمليات حرارتي مناسب، امكان افزايش چقرمگي شكست تا حدود 68 درصد وجود دارد. همچنين با بررسي زاويه‌ي رستر‌ها، معين شد كه در نمونه‌هاي بدون عمليات حرارتي، زاويه‌ي رستر 45/45- درجه بيشترين استحكام كششي و نيز چقرمگي شكست را دارا مي‌باشند. با انجام عمليات حرارتي نشان داده شد ناحيه‌ي پلاستيك نمونه‌ها افزايش پيدا كرده و نيز استحكام بين‌رستري بهبود مي‌يابد.

1402/07/11

The effect of post-processing on in-plane fracture toughness properties of additively manufactured specimens

9/24/2024 12:00:00 AM

Additive manufacturing, also known as 3D Printing, is nowadays not only sought by researchers’ community but also by industries. AM provides rapid prototyping and production of complex designs. One of the limiting factors to use this manufacturing method in industry is insufficient investigation of its mechanical properties. In this thesis, tensile and three-point-bend (TPB) specimens were produced by a fused deposition modeling (FDM) printer in three different raster angle orientations, which were 0/90, 22/-68, and 45/-45 degrees. Then four different heat treatment cases were chosen to encompass the combination of two different unidirectional pressures and two furnace temperatures. One set of specimens was also considered as an As-built condition without any heat treatment. Then SCB specimens’ cracks were cut in three angles of 0, 20, and 40 degrees relative to the axis of loading, in order to cover mode I, mixed mode I/II, and pure mode II loading cases. Dogbone specimens underwent universal tensile testing with the aid of the DIC method to obtain accurate strain results. By extracting the data from these two tests, true stress-strain curves, engineering yield stress, elastic modulus, Poisson’s ratio, and fracture toughness were calculated and plotted for each of the investigated cases as well as its three initially-built raster angle conditions. Additionally, the Finite element method was implemented to achieve geometry fracture factors. Then with fracture loads obtained from TPB tests, stress intensity factors at break for experimental test were calculated. In order to predict fracture loads, three criteria were explained and utilized, MTS, GMTS, and GMTS with the use of equivalent material concept (EMC). Since the tests showed a ductile behavior, especially in heat-treated cases, GMTS with EMC exhibited the best fit to the experimental data. It was also concluded that with the right amount of temperature and pressure in a heat treatment process, one can increase the fracture toughness of additively manufactured ABS specimens up to 68%. Also, investigation of raster angles in as-built cases depicted that tensile properties, e.g. yield and ultimate tensile strengths, and also fracture toughness (in pure mode I loading) of 45/-45-degree raster angle printing condition had the best properties among other rasters. At last, the impact of heat treatment was overviewed and it was concluded that heat treatment increases plasticity of specimens as well as inter-raster bonds and strength.

ساخت افزايشي , عمليات پس از ساخت , خواص مكانيكي , خواص شكست بارگذاري مود تركيبي داخل صفحه , چقرمگي شكست

Additive Manufacturing , Post processing , mechanical properties , In-plane Fracture Properties under mixed mode loading , Fracture toughness

Mohammad Mehdi Moemeni

Dr. Majid Reza Ayatollahi