23828

MEC2 255

كارشناسي ارشد

مهندسي مكانيك - طراحي كاربردي

فني و مهندسي

1403/06/26

81 ص.

رسول مهشيد , محمد حيدري راراني

ساخت افزايشي , پليمر گرماسخت , كامپوزيت , اكستروژن مواد

ساخت افزايشي، به‌خصوص روش اكستروژن مواد، به‌عنوان يكي از فناوري‌هاي نوين در توليد، توانسته است جايگاه ويژه‌اي در بين محققين و صنايع پيدا كند. اين روش به‌ويژه براي توليد قطعات از پليمر گرماسخت اهميت زيادي دارد؛ زيرا اين مواد پس از پخت، مقاومت بالايي به حرارت و مواد شيميايي از خود نشان مي‌دهند. يكي از روش‌ها براي بالا بردن خواص مكانيكي اين مواد استفاده از الياف است. الياف كوتاه به دليل افزايش خواص مكانيكي و در عين حال راحتي در استفاده از آن‌ها در فرايندها و ايجاد خواص همسانگرد در قطعات، بر خلاف الياف پيوسته، اهميت ويژه‌اي دارند. در اين تحقيق يك روش جديد براي چاپ سه‌بعدي قطعات كامپوزيتي گرماسخت تقويت شده با الياف كوتاه به روش اكستروژن مواد ارائه شده است. جوهرهاي مورد استفاده در اين فرآيند بايد قابليت جريان‌پذيري داشته و در عين حال با خروج از نازل و قرارگرفتن بر روي صفحه ساخت، شكل خود را حفظ كند و بر روي صفحه پخش نشود. برخلاف روش‌هاي موجود، در اين روش براي بهبود خواص رئولوژي جوهر از هيچ افزودني استفاده نشده است و تنها با ارتباط بين زمان سپري شده از تركيب دو جزء پليمر با خواص آن، اين امر انجام شده است. براي رزين مورد استفاده پس از گذشت 3 ساعت از تركيب دو جزء، ماده قابل استفاده در چاپگر است و افزودن 5 درصد الياف اين زمان را به 5/2 ساعت كاهش مي‌دهد. اين روش از هيچ منبع انرژي خارجي از جمله نور فرابنفش براي پخت جوهر در طول فرآيند چاپ استفاده نكرده است و منجر به كاهش هدررفت انرژي شده است. با توجه به ماهيت فيزيكي اين مواد، يك مجموعه اكسترودر براي چاپ جوهر با گران‌روي بالا، طراحي و ساخته شد. اين سازوكار اين امكان را مي‌دهد كه در فضايي محدود و گشتاور كم، نيروي قابل ملاحظه‌اي توليد كند. براي بررسي غيرهمسانگردي در اثر چاپ در راستاهاي مختلف، نمونه‌هايي از جنس رزين خالص با زاويه‌هاي °0، °45 و °90 چاپ شدند و تحت آزمون كشش قرار گرفتند. نتايج نشان داد نمونه‌ها رفتار تقريبا همسانگرد از خود نشان مي‌دهند و زاويه چاپ تاثير زيادي در خواص مكانيكي در نقطه شكست ندارد. تاثير پخت ثانويه از ديگر عوامل مورد بررسي در اين تحقيق بود كه نشان داد با وجود عدم تاثير چشمگير بر روي مدول الاستيك، استحكام نهايي را تا 16 درصد افزايش مي‌دهد. بررسي تاثير افزايش تعداد لايه‌هاي چاپ با چيدمان‌هاي مختلف نشان داد كه ميزان اختلاف در خواص مكانيكي كمتر از 10 درصد است و رفتار تقريبا همسانگرد از خود نشان مي‌دهند. اين افزايش تعداد لايه باعث كاهش خواص مكانيكي نگرديد و نشان مي‌دهد كه چسبندگي بين لايه‌ها به‌خوبي صورت‌گرفته است. همچنين تاثير پارامترهاي آماده‌سازي جوهر براي چاپ كامپوزيت با الياف كوتاه از جمله درصد الياف، زمان و سرعت اختلاط مورد بررسي قرار گرفت. براي كاهش تعداد آزمايش‌ها از 27 به 9 آزمايش، از روش طراحي آزمايش تاگوچي استفاده شد. نتايج نشان داد استفاده از 5 درصد وزني الياف كوتاه مي‌تواند 5/19 درصد استحكام نهايي را افزايش دهد و ميزان افزايش مدول الاستيك با استفاده از 20 درصد وزني الياف، 29 درصد است و نشان داده شد اين روش به‌خوبي مي‌تواند قطعات با ساختار مختلف و حتي بدون تكيه‌گاه را توليد كند. در آزمايش‌هاي انجام شده از روش DIC براي اندازه‌گيري كرنش استفاده شده است

Additive Manufacturing , Thermoset Polymer , Composite , Material Extrusion

Experimental study of additively manufactured fiber reinforced thermoset composites by material extrusion

مهندسي مكانيك

Additive manufacturing, as one of the emerging technologies in the production of components, has gained significant attention among researchers and industries. One of the widely used methods in this technology is material extrusion, which is favored due to its simplicity, material diversity, minimal waste, and applicability in various fields. This method is particularly important for the production of thermoset polymer components because these materials exhibit high resistance to heat and chemicals after curing. One approach to enhancing the mechanical properties of these materials is the use of fibers. Unlike continuous fibers, short fibers are suitable for this process due to their ability to improve mechanical properties while also being easier to integrate into processes and creating isotropic properties in the components. In this research, a novel method for 3D printing short fiber-reinforced thermoset composite parts via material extrusion is presented. The inks used in this process must be capable of flowing while also maintaining their shape upon exiting the nozzle and being deposited on the build platform, without spreading. Unlike existing methods, this technique improves the rheological properties of the ink without any additives; instead, it achieves this by controlling the time elapsed since the mixing of the two polymer components with the resulting properties. For the resin used, the mixture becomes suitable for printing after three hours, and adding 5% fibers reduces this time to 2.5 hours. This method does not use any external energy sources, such as UV light, for ink curing during the printing process, which results in reduced energy waste. Given the physical nature of these materials, an extruder system was designed and built for printing high-viscosity inks. This mechanism is based on a power transmission screw, allowing it to generate significant force within a limited space and with low torque. To examine anisotropy caused by printing in different directions, samples made from pure resin were printed at 0°, 45°, and 90° angles and subjected to tensile testing. The results indicated that the samples exhibited nearly isotropic behavior, with the print direction having little effect on elastic modulus, ultimate strength, and elongation at break. The effect of secondary curing was also investigated in this study, showing that while it did not significantly impact the elastic modulus, it increased the ultimate strength by up to 16%. The influence of increasing the number of printed layers with different configurations showed that the variation in mechanical properties was less than 10%, and the behavior remained nearly isotropic. This increase in the number of layers did not reduce the mechanical properties, indicating that interlayer adhesion was well achieved. Additionally, the impact of ink preparation parameters for printing short fiber composites, including fiber content, mixing time, and mixing speed, was examined. In this study, 50-micron glass fibers were used. To reduce the number of experiments from 27 to 9, the Taguchi method was employed in the design of experiments. The results demonstrated that the use of 5% by weight of short fibers can increase the ultimate strength by 19.5%, and using 20% by weight of fibers results in a 29% increase in elastic modulus. In all experiments, the DIC method was used to measure strain. Moreover, it was shown that this method can successfully produce parts with various structures, even without support.

5

35741