30597

بهينه سازي پارامترهاي چاپگر سه‌بعدي با فناوريFDM توسط طراحي آزمايش‌ها مطالعه موردي: رفتار مكانيكي ساختار ساندويچي با هسته سه‌بعدي

كارشناسي ارشد

مهندسي صنايع- بهينه‌سازي سيستم‌ها

1400

1402/11/15

محمدرضا محمدعليها

مهندسي صنايع

تكنولوژي پرينترهاي سه‌بعدي به عنوان يكي از مهم‌ترين ابزارهاي توليد اشياء سه‌بعدي با ساختار‌هاي پيچيده و با ظرافت بسياربالا شناخته شده‌اند. بررسي نقش اين تكنولوژي در توليد اشياء بهينه از لحاظ ساختار و استحكام مطلوب بدون تغيير وزن و يا حتي كاهش وزن، به حداقل رساندن هدررفت مواد از مهم‌ترين مسائل پيش‌روي محققين به شمار مي‌رود و از طرفي بررسي نقش تنظيم صحيح پارامترهاي مهم فرآيند چاپ در بهبود كيفيت و دقت توليد، جنبه‌ي ديگري از اين فناوري محسوب مي‌شود‌. در اين پژوهش به عنوان ماده اوليه، فيلامنت زيست تخريب پذير پلي لاكتيك اسيد (PLA) كه يكي از مواد محبوب براي پرينت سه بعدي است تهيه شده و همچنين در بخش طراحي قطعه يكي از ساختارهاي پيشنهاد شده توسط محققين در حوزه علمي پژوهشي سازه‌هاي ساندويچي، از هسته هاي سه بعدي با سلول‌هاي Honeycomb استفاده شده است كه اين ساختار به علت افزايش استحكام و مقاومت اين سازه‌ها در برابر ضربه و تنش‌ها بسيار مورد استقبال محققين قرار گرفته‌است. هدف از اين پژوهش تركيب دو حوزه طراحي نوآورانه قطعات و پرينترهاي سه بعدي است كه در ابتدا قطعات با نرم‌افزارSolidworksطراحي گرديده و پس از آن با استفاده از نظر متخصص اين حوزه به انتخاب چهار فاكتور سرعت پرينت، دماي نازل، زاويه پرينت و ضخامت لايه با در نظرگيري سطوح مناسب و تعيين چهار متغير پاسخ Fmaxو ) Wiميزان انرژي جذب شده در نقطه Fmax ( و ) Wtميزان انرژي جذب شده در نقطه شكست ( و مقاومت ضربه كه حاصل از دو تست مكانيكي 3Point bending وCharpy impact testدر كارگاه ذوب و جوش علم و صنعت ايران انجام شده سپس اقدام به طراحي آزمايش‌ها با نرم‌افزارMinitab با روش تاگوچي و انتخاب آرايه متعامدL9 و سه مرتبه آزمايشات تكرار شده است كه پس از تحليل نتايج با استفاده از رگرسيون براي هر هدف يك تابع رگرسيون تشكيل شده كه با تركيب معادلات رگرسيون با روش بهينه سازي چند هدفه ε-Constraint سعي دريافتن نقاط بهينه پارتويي گرديد كه در مجموع 37 نقطه بهينه پارتويي به دست آمد و از نتايج مقدار بهينه سازي تك هدفه براي فاكتور سرعت پرينت مقدار (mm/min)2950 ، دماي نازل℃210، ضخامت لايه (mm)0.25 و زاويه پرينت45 ± حاصل شد و به ترتيب فاكتورهاي سرعت پرينت، زاويه پرينت، ضخامت لايه و دماي نازل در جايگاه‌هاي اول تا چهارم تاثيرگذاري بر متغيرهاي پاسخ قرار گرفته‌اند و به طور كلي استفاده از ساختار ساندويچي با هسته Honeycombدر طراحي يك قطعه باعث كاهش وزن 15.57گرم معادل 44% كاهش نسبت به قطعات فاقد ساختار ساندويچي در اين پژوهش شده است كه اين مقدار از لحاظ مكانيكي بسيار ارزشمند محسوب مي‌شود.

1402/12/20

optimization of 3D printer parameters with FDM technology on mechanical behavior of specimens via design of experiments case study: sandwich structure with 3d core

2/3/2025 12:00:00 AM

The technology of 3D printers is well recognized as one of the most important tools for producing three-dimensional objects with intricate and highly sophisticated structures. Examining the role of this technology in optimizing the production of objects in terms of desired structure and strength, minimizing material waste without altering weight, or even reducing weight, stands out as one of the foremost challenges faced by researchers. Additionally, investigating the proper adjustment of key parameters in the printing process to enhance the quality and precision of production represents another aspect of this technology. In this study, bio-degradable polylactic acid (PLA) filament, a popular material for 3D printing, was prepared as the primary material. Furthermore, in the part design section, one of the presented structures involved the use of sandwich structures with 3D Honeycomb cores. This structure contributes to the increased strength and resistance of these structures against impacts and stresses.The objective of this research is to combine the innovative design of components with 3D printers. Initially, the components were designed using Solidworks software, and then, with the expertise in this field, four printing parameters, including print speed, nozzle temperature, print angle, and layer thickness, were selected. Considering appropriate surfaces and determining four response variables, Fmax and Wt (the absorbed energy at the fracture point), as well as impact resistance resulting from two mechanical tests, 3-point bending and Charpy impact tests, conducted in the melting and welding workshop of the Iran University of Science and Technology. Subsequently, experimental designs were developed using Minitab software with the Taguchi method. An L9 orthogonal array was selected, and the experiments were repeated three times. After analyzing the results using regression, a regression equation was formed for each objective. By combining the regression equations with the ε-Constraint multi-objective optimization method, attempts were made to obtain optimal points. In total, 37 Pareto optimal points were obtained, and from the optimization results, the optimal values for the single-objective optimization factors were determined as follows: print speed (mm/min) 2950, nozzle temperature 210(°C), layer thickness 0.25(mm), and print angle 45 ±(°). In conclusion, the factors of print speed, print angle, layer thickness, and nozzle temperature were identified as the most influential on the response variables in the first to fourth positions, respectively. Overall, the use of a Honeycomb core sandwich structure in the design of a component resulted in a weight reduction of 15.57 grams, equivalent to 44%, compared to components without a sandwich structure. This reduction is highly valuable in terms of mechanical properties.

پرينت سه بعدي , خواص مكانيكي , مدل سازي رسوب ذوبي , پارامتر هاي فرآيند , ساختار ساندويچي , پلي‌لاكتيك اسيد

3dprint , mechanical properties , Fused deposition modelling , process parameters , Sandwich structure , PLA

Mahdiye Saedi

Dr. Mohammad Reza Mohammad Aliha