24278

MEC2 267

كارشناسي ارشد

مهندسي مكانيك - طراحي كاربردي

فني و مهندسي

1403/11/1

99 ص.

محمد حيدري راراني , رسول مهشيد

چاپ چهاربعدي , چاپگر لايه‌نشاني ذوبي , پلي‌لاكتيك اسيد , محرك گرمايي , بهينه‌سازي , مدل‌سازي المان محدود

چاپ چهاربعدي فناوري جديدي است كه زمان را به چاپ سه‌بعدي اضافه مي‌كند. در اين روش، ساختار چاپ ‌شده با گذر زمان و تحت تأثير محرك‌هايي مانند گرما، نور و رطوبت تغيير شكل مي‌دهد. از بين اين محرك‌ها، گرما يكي از رايج‌ترين عوامل فعال‌سازي اين ساختارها محسوب مي‌شود. از چالش‌هاي موجود در چاپ چهاربعدي به كنترل اين سازه‌ها مي‌توان اشاره كرد. اين مطالعه سعي بر كنترل اين سازه‌ها با استفاده از تغيير پارامترهاي چاپ داشت. اين پژوهش يك بررسي جامع بر تأثير پارامترهاي فرآينديِ چاپگر لايه‌نشاني ذوبي بر روي مقدار تغيير شكل خمشي، زمان و دماي فعال‌سازي حرارتي نمونه‌هاي نواري شكل از جنس پلي‌لاكتيك اسيد انجام داد. پارامترهاي چاپ به‌صورت تغييرات يك عامل در يك‌زمان مورد بررسي قرار گرفتند. نتايج اين بررسي نشان داد كه چهار پارامتر لايه‌چيني، ضخامت لايه، سرعت چاپ و دماي نازل مي‌تواند بيشترين تأثير را در سطوح انتخاب شده بر مقدار تغيير شكل خمشي نشان دهند. چهار پارامتر تأثيرگذار جهت بهينه‌سازي مقدار تغيير شكل خمشي با استفاده از روش طراحي آزمايش تاگوچي انتخاب شدند. طراحي تاگوچي با سه پارامتر در سه سطح و يك پارامتر در دو سطح با استفاده از آرايه متعامد L18 تاگوچي انجام شد. نتايج نشان داد كه تأثيرگذارترين پارامترهاي چاپ در بين سطوح انتخابي به ترتيب ضخامت لايه، لايه‌چيني، دماي نازل و سرعت چاپ مي‌باشند و هم‌چنين پيش‌بيني حالت بهينه طراحي تاگوچي با مقدار تجربي اختلاف كمتر از دو درصد را نشان داد. نمونه بهينه جهت مطالعه عددي انتخاب گرديد. آزمايش‌هاي گرما سنجي تفاضلي، تجزيه‌ و تحليل حرارتي مكانيكي ديناميكي و آزمايش كشش تك‌محوره به ترتيب براي به دست آوردن مقادير گرماي ويژه، تغييرات مدول الاستيك و ضرايب پواسون انجام شدند. جهت به دست آوردن ضرايب انبساط حرارتي در اين تحقيق از يك روش نوآورانه يعني استفاده از همبستگي تصوير ديجيتال استفاده شد. هم‌چنين اثبات شد پلي‌لاكتيك اسيد چاپ سه‌بعدي شده مي‌تواند يك رفتار همسانگرد عرضي از خود نشان دهد كه با استفاده از رابطه تبديل ضرايب پواسون ν12 به ν21 براي مواد همسانگرد عرضي خطاي 45/3 درصد حاصل گرديد. داده‌هاي به‌دست‌آمده از آزمايش‌هاي مختلف به نرم افزار آباكوس جهت مدل‌سازي سه بعدي به دو صورت پوسته و جامد براي تغيير شكل خمشي و مدل‌سازي حالت پوسته براي تغيير شكل پيچشي با رفتار ماده همسانگرد عرضي داده شد. جهت كاهش بار محاسباتي در مطالعه عددي ابتدا ضرايب انبساط لايه‌هاي مياني با روش سعي و خطا در مدل‌سازي حالت پوسته محاسبه گرديد. نتايج به‌دست‌آمده در مدل‌سازي حالت پوسته در حالت خمشي نشان داد كه مقدار خطاي به‌دست‌آمده با مقدار مطالعه تجربي به ترتيب در جهت‌هاي طولي و عرضي 79/0 و 03/6 درصد و براي مدل‌سازي حالت جامد حداكثر خطا به ترتيب براي جهت‌هاي طولي و عرضي برابر با 08/3 و 85/4 مي‌باشد. هم‌چنين، نتيجه شبيه‌سازي براي تغيير شكل پيچشي خطاي كمتر از 10 درصد را در مقايسه با آزمون تجربي نشان داد. در نهايت مي‌توان اشاره كرد كه روش مدل‌سازي اين مطالعه قابليت اين را دارد كه به انواع تغيير شكل‌ها تعميم پيدا كند و اين تغيير شكل‌ها به دليل رايج بودن قابليت استفاده در كاربردهايي مانند گيره‌ها، لولاها و استنت‌هاي پزشكي را دارند.

3D printing , 4D printing , Fused deposition modeling , Polylactic acid , Thermal stimulation , Optimization , Numerical analysis

Experimental and numerical study of thermal bending deformation in Polylactic acid specimens used in 4D printing

مهندسي مكانيك

Four-dimensional (4D) printing is a new technology that adds the dimension of time to three-dimensional (3D) printing. In this method, the printed structure changes shape over time in response to stimuli such as heat, light, and humidity. Among these stimuli, heat is considered one of the most common activation factors for these structures. One of the challenges in 4D printing is controlling these structures. This study aimed to control these structures by adjusting the printing parameters. In this study, a comprehensive investigation was conducted on the influence of process parameters in a fused deposition modeling printer on bending deformation, as well as the time and temperature required for heat activation of strip-shaped samples made of polylactic acid. Each parameter was examined as changes of one factor at a time. The results of the study indicated that layup, layer thickness, printing speed, and nozzle temperature had the most significant impact on the amount of bending deformation at the selected levels. To optimize the bending deformation, the Taguchi design of experiment was used, selecting the four most influential parameters. An L18 Taguchi orthogonal array was employed with three parameters having three levels and one parameter having two levels. The results indicated that the most effective printing parameters among the selected surfaces are layer thickness, layering, nozzle temperature and printing speed, respectively. Also, the prediction of the optimal state of Taguchi design with the experimental value showed a difference of less than two percent. The optimal sample was selected for the numerical study, and tests were conducted on the optimal specimen, including differential scanning calorimetry, dynamic mechanical thermal analysis, and uniaxial tensile testing. These tests were performed to obtain specific heat values, changes in elastic modulus, and Poissonʹs coefficients. In this study, an innovative method utilizing digital image correlation was employed to determine thermal expansion coefficients. It was also proven that 3D-printed polylactic acid can exhibit transverse isotropic behavior. Using the transformation relationship from Poisson’s ratio ν12 to ν21 for transversely isotropic materials, an error of 3.45% was obtained. The data obtained from these different experiments were then inputted into the ABAQUS to model both the shell and solid behaviors in bending mood and the shell behavior for torsional deformation of a transversely isotropic material. To reduce the computational load in the numerical study, the expansion coefficients of the intermediate layers were first determined using the trial-and-error method in the shell modeling approach. The results obtained from the shell modeling for bending deformation demonstrated an error of 0.79% in the longitudinal direction and 6.03% in the transverse direction when compared to the values obtained from the experimental study. For the solid modeling, the maximum errors were 3.08% and 4.85% in the longitudinal and transverse directions, respectively. Also, the simulation result for torsional deformation showed an error of less than 10% compared to the experimental test. Ultimately, it can be stated that the modeling approach in this study has the potential to be extended to various types of deformations. These deformations, due to their common occurrence, can be utilized in applications such as clamps, hinges, and medical stents

4

دكتر مهدي بداغي

119144