30094

بررسي رفتار شكست نمونه¬هاي پليمري ساخته‌شده به روش ساخت افزايشي FDM تحت بارگذاري تركيبي

دكتري

مهندسي مكانيك-طراحي كاربردي-جامدات

1397

1402/06/11

مجبدرضا آيت اللهي

مهندسي مكانيك

روش FDM يا همان مدل¬سازي رسوب ذوبي، زير مجموعه¬اي از روش¬هاي ساخت افزايشي مي¬باشد كه براي ساخت قطعات از جنس پليمر به كار مي¬رود. در روش FDM، پارامترهاي ساخت مختلفي وجود دارد كه زاويه¬ي رشته¬هاي درون صفحه¬اي (زاويه¬ي رستر) و جهت لايه¬چيني از پارامترهاي تأثيرگذار بر مقاومت و پايداري قطعه¬ي نهايي مي¬باشد. هدف اصلي اين رساله¬ي دكتري، بررسي تأثير دو پارامتر ساخت مذكور بر خواص مكانيكي و رفتار شكست نمونه¬هاي چاپي تحت بارگذاري مود تركيبي مي¬باشد. در همين راستا، نمونه¬هايي براي آزمون¬هاي كشش و شكست چاپ شده است و در شكست تحت بارگذاري مود تركيبي، بارهاي شكست تجربي به كمك معيارهايي از علم مكانيك شكست تخمين زده شده است. نتايج بدست آمده نشان مي¬دهد كه زاويه¬ي رستر، جهت لايه¬چيني، راستاي ترك اوليه نسبت به لايه¬ها و رسترها بر رفتار شكست قطعات تاثير بسزايي داشته است. به عنوان مثال، استحكام شكست براي نمونه¬هاي چاپ شده از ماده¬ي ABS با زاويه¬ي رشته¬هاي درون صفحه¬اي 45-/45 درجه و 90/0 درجه به ترتيب برابر است با 4389 و 1880 ژول بر متر مربع. براي مدل¬سازي المان محدود نمونه¬هاي ترك¬دار تحت بارگذاري مود تركيبي اول و دوم، از دو فرض همسانگردي استفاده شده و نتايج تخمين بار شكست با نتايج آزمايشگاهي مقايسه شده است و دقت فرض¬هاي مذكور مورد بحث قرار گرفته است. با توجه به اينكه سرعت چاپ تاثير مستقيم روي اختلاف دماي لايه¬هاي چاپي دارد، اهميت ويژه¬اي بين پارامترهاي ساخت در فرايند FDM پيدا كرده است. از اين رو، تاثير اين پارامتر روي خواص مكانيكي و رفتار شكست تحت بارگذاري مود تركيبي اول و دوم مورد بررسي قرار گرفته است و تاثير هر سرعت در كنترل خواص مكانيكي و مكانيزم¬هاي شكست مورد تحليل قرار گرفته شده است. در بين سرعت¬هايي كه مورد مطالعه قرار گرفته، سرعت چاپ 50 ميلي¬متر بر ثانيه منجر به استحكام شكست بالايي شده است بطوري كه بار شكست نمونه¬هاي چاپ شده با اين سرعت تحت بارگذاري مود دوم خالص، 2215 نيوتن مي¬باشد. اين در حالي است كه سرعت چاپ 30 و 90 ميلي¬متر بر ثانيه منجر به بار شكست 1833 و 1873 نيوتني تحت شرايط بارگذاري مذكور شده است. در رابطه با رفتار شكست نمونه¬هاي ترك¬دار چاپي، حضور مود سوم بارگذاري موجب افزايش بار شكست شده است اما براي مود سوم خالص درحالتي كه زاويه¬ي رستر 45-/45 درجه باشد، بار شكست افت داشته است كه علت اين موضوع بطور گسترده¬اي تحليل و بحث شده است. همچنين بارهاي شكست نمونه¬هاي ترك¬دار به كمك معيارهاي انتگرال J و حداكثر تنش مماسي تخمين زده شده است كه روش انتگرال J با دقت بالاتري رفتار شكست را پيش¬بيني كرده است.

1402/08/28

Investigating the fracture behavior of FDM specimens under mixed-mode loading condition

9/1/2024 12:00:00 AM

Fused Deposition Modeling (FDM) is a subcategory of additive manufacturing processes that fabricate parts from polymeric materials. In this technique, there are some manufacturing processes among which the in-plane raster angle and layer orientation have great influence on strength and durability of the final part. The main purpose of the current thesis is to study the effects of the mentioned manufacturing parameters on the mechanical properties and fracture performance of the FDM parts under mixed-mode loading condition. Thus, some tensile and fracture specimens were printed for tensile and fracture experiments under different loading conditions and finally, the experimental fracture loads were predicted through the fracture mechanics theories. According to the obtained results, the raster angle, layer orientation, and pre-crack orientation corresponding to the printed layers had a great influence on the fracture performance of the FDM specimens. For instance, fracture resistance of FDM-ABS specimens printed with 45/-45o and 0/90o was 4389 and 1880 J/m2, respectively. Besides, two isotropic assumptions were implemented to simulate the cracked specimens in the finite element modeling for predicting the fracture loads of FDM specimens under mixed-mode I/II loading condition and the accuracy of these assumptions were discussed. Recently, the printing speed as a manufacturing parameter of FDM technique gained more attention as it affects the thermal gradient of the printed layers. Therefore, the effects of this parameter on the mechanical performance and fracture behavior of the printed parts under mixed-mode loading condition were studied comprehensively. Among the studied printing speeds, 50 mm/s resulted in higher fracture resistance in a way that those specimens resulted 2215 N fracture load under pure mode II loading condition. However, under this loading condition, 30 and 90 mm/s printing speeds presented fracture loads of 1833 and 1873 N, respectively. Considering the fracture behavior of cracked specimens, generally, the fracture loads were increases due to the presence of mode III loading condition. But for the specimens printed with 45/-45o under pure mode III loading, the fracture load was decreased that the reason of this issue was discussed comprehensively. The experimental fracture loads were predicted by the J-integral and the maximum tangential stress criteria where the J-integral criterion could predict the fracture behavior of the FDM specimens well.

روش ساخت افزايشي رسوب دهي ذوبي , زاويه ي رشته هاي درون صفحه اي , جهت لايه چيني , مكانيك شكست , بارگذاري تركيبي

ّFused Deposition Modeling , In-plane raster angle , Layer orientation , Fracture mechanics , Mixed-mode loading condition

Amir Nabavi-Kivi

Majid Reza Ayatollahi