Nowadays, making use of additive manufacturing (AM) processes such as fused

Transcript

1 Available in: Iran. J. Polym. Sci. Technol. (Persian), Vol. 30, No. 2, June-July 2017 ISSN: Online ISSN: DOI: /jipst Optimization of Processing Parameters in 3D-Printing of Poly(lactic acid) by Fused Deposition Modeling Method Maryam Ezoji 1, Mohammad Razavi-Nouri 2, and Amir Masoud Rezadoust 2* 1. Research and Development Unit of Alborz Composites Engineering Company, Postal Code: , Tehran, Iran 2. Iran Polymer and Petrochemical Institute, P.O. Box: , Tehran, Iran Received: 18 September 2016, accepted: 25 February 2017 A B S T R A C T Keywords: 3D-print, FDM processing parameters, layer thickness, raster angle, printing plane Nowadays, making use of additive manufacturing (AM) processes such as fused deposition modeling (FDM), in different areas, such as car manufacturing, biomedical and aerospace industries is gaining popularity worldwide because of their capacities in producing functional parts with complex geometries. Therefore, it is very important to identify the significance of FDM processing parameters which would have an impact on the quality of articles produced by the processing system. In this work, poly(lactic acid) was used to study the effects of processing parameters such as layer thickness, raster angle and printing plane on the tensile properties and surface roughness of the printed specimens. The results showed that the tensile strength of a specimen increased by reducing its layer thickness. However, the elastic modulus values increased with decreasing the layer thickness to some extent. Moreover, when the layer thickness was kept constant at 0.05 mm and 3D-printing was carried out in XYZ plane, the maximum modulus and tensile strength were obtained for the raster angle of 0. Microscopic studies showed that in low layer thickness, the polymeric layers diffused properly into each other and no voids were formed between the layers. However, with a thickness above its critical value, a few voids were formed between the layers which played as a stress concentrator and decreased the tensile strength of the specimens. The results also showed that the surface roughness increased with increasing the layer thickness. (*)To whom correspondence should be addressed. a.rezadoust@ippi.ac.ir Please cite this article using: Ezoji M., Razavi-Nouri M., and Rezadoust A.M., Optimization of Processing Parameters in 3D-Printing of Poly(lactic acid) by Fused Deposition Modeling Method, Iran. J. Polym. Sci. Technol. (Persian), 30, , 2017.

2 نشانی: در دسترس قابل اسید پلیالکتیک سهبعدی چاپ در فراورش پارامترهای بهینهسازی پلیمر تکنولوژی و علوم مجله 2 شماره سیام سال صفحه ISSN: Online ISSN: DOI: /jipst همجوش الیهگذاری روش به *2 رضادوست امیرمسعود 2 نوری رضوی محمد 1 ازوجی مریم پستي کد البرز کامپوزیت مهندسی شرکت توسعه و تحقیق واحد تهران پستي صندوق ایران پتروشیمی و پليمر پژوهشگاه تهران /12/7 پذيرش: 1395/6/28 دريافت: چکیده کلیدی واژههای سهبعدی چاپ FDM فراورش پارامترهای الیه ضخامت رشتهنشانی زاویه چاپ صفحه فلتخم حوزههای در همجوش الیهگذاری مانند برهمافزا روش به ساخت نوین فناوریهای امروزه گسترش حال در چشمگیری نحو به پزشکی علوم نیز و هوافضا ماشینسازی مدلسازی نظیر صنعت هندسههای با کاربردی قطعههاي ساخت در روش این قابلیت میتوان را گسترش این علت است. شناخت اینرو از دانست. متداول روشهای به نسبت کمتر هزینه با و کوتاهتر زمان مدت در پیچیده پلیمری قطعات کیفیت بر آنها انکارناپذیر اثر به توجه با همجوش الیهگذاری فرایند بر مؤثر متغیرهای زاویه الیهها ضخامت مانند فراورش متغیرهای اثر مقاله این در است. اهمیت حائز شده ساخته اسید پلیالکتیک از شده ساخته نمونههای زبری و کششی خواص بر چاپ صفحه و رشتهنشانی شده انتخاب شرایط در که است آن از حاکی نتایج است. شده ارزیابی همجوش الیهگذاری روش به بیشترین میکند. پیدا افزایش کششی مدول حدی تا و استحکام الیهها ضخامت کاهش با چاپ برای رفص آنها رشتهنشانی زاویه که میآید بهدست نمونههایی برای کششی مدول و استحکام مقدار میکروسکوپی مطالعات باشند. شده چاپ 0/05 الیه mm ضخامت به XYZ صفحه در و بوده درجه میرود. بین از ای بینالیه مرز و خورده جوش بههم پلیمری الیههای کم ضخامتهای در داد نشان شنت تمرکز باعث که میآید بهوجود الیهها ميان زیادی خالی فضاهای زیاد ضخامتهای در اما سطح از زبریسنجی نتایج همچنین میشوند. شده چاپ قطعه استحکام کاهش سبب نهایت در و شده مییابد. افزایش نیز سطح زبری الیهها ضخامت افزایش با داد نشان نمونهها پیامنگار: مکاتبات مسئول * a.rezadoust@ippi.ac.ir

3 همکاران و ازوجی مریم همجوش الیهگذاری روش به اسید پلیالکتیک سهبعدی چاپ در فراورش پارامترهای بهینهسازی مقدمه طراحی از جدید محصولی عرضه زمان امروز اقتصاد رقابتی دنیای در میآید. بهشمار تولیدکننده سازمان برای مهمی شاخص تولید تا است یافته توسعه راستا این در که جدیدی نسبتا فناوریهای از )rapid prototyping, RP( سریع اولیه نمونهسازی موسوم روشهای سهبعدی مدل ابتدا نرمافزارها بهکمک روشها این در ]1[. است روشهای به سپس و شده تقسیم معین ضخامت با الیههایی به قطعه متعدد الیههای افزودن با آنگاه میشود. ایجاد مجزا الیه هر مختلف اساس که ساخت شیوه این میشود. تولید نهایی قطعه یکدیگر روی روشهاي کلی نام تا شده سبب است RP روشهای تمام کار اطالق آنها به نیز )additive manufacturing, AM( برهمافزا ساخت شدهاند معرفی اخیر سالهای در که RP فرایندهای مهمترین ]2[. شود )stereo lithography( سهبعدی لیتوگرافی با نمونهسازی از عبارت fused deposition modeling,( همجوش الیهگذاری روش به مدلسازی اشیای ساخت )polyjet modeling( چندافشانهای مدلسازی )FDM گزینشی تفجوشی )laminated object manufacturing( چندالیه سریع انجمادی اولیه نمونهسازی )selective laser sintering( لیزری solid( جامد زمینه پخت نمونهسازی )rapid freeze prototyping( laser engineered( لیزری مهندسیشده شبکه شکلدهی )ground curing ]3 4[. است )thermojet( گرمایی افشانه نمونهسازی و )net shaping و قطعه تشکیلدهنده الیههای ایجاد شیوه در روشها این تفاوت مواد از آنها بیشتر در اما ]2[. میشوند استفاده که است موادی نوع میشود. استفاده مصرفی ماده بهعنوان مختلف شکلهای در پلیمری کاربرد سهولت دلیل به FDM شده گفته روشهای میان از مقایسه در ارزانتر قیمت نیز و فرایند سادگی پلیمری مواد از استفاده توجه مورد گسترده بهطور روشها سایر در نیاز مورد تجهیزات با توسط روش این ]4 5[. است گرفته قرار صنعت فعاالن و پژوهشگران ماده فرایند این در ]2[. شد معرفی 1990 سال در Stratasys شرکت دستگاه نازل از عبور هنگام است پلیمری رشته شکل به که اولیه نآ از پیوسته بهطور و کند پیدا جریانپذیری قابلیت تا میشود گرم و محلها در چاپ صفحه روي مذاب رشته اين سپس شود. خارج 1 شکل ميشود. نشانده مدنظر طرح ساخت برای معین مسیرهای مشاهده شکل این در میدهد. نشان را FDM سامانه عملکرد نحوه و کرده حرکت y و x افقی راستای دو در فقط خروجی نازل میشود سپ که بهطوری میشود. تأمین صفحهچاپ بهوسیله عمودی حرکت پایینتر الیه یک ضخامت اندازه به ساخت صفحه الیه هر نشاندن از روبات یک سامانه این سختافزار شود. نشانده بعدی الیه تا آمده که بوده )computer numerical control( عددی کنترل سازوکار با برای نازلها از یکی است. ظریف بسیار نازل دو یا یک جابهجاکننده مدل )support( پشتیبان مواد ذوب برای دیگری و اصلی مواد ذوب ]6[. میشود استفاده میشوند استفاده FDM دستگاههای در که موادی بیشترین )PLA( اسید پلیالکتیک و )ABS( استیرن بوتادیان پلیآکریلونیتریل پلیپروپیلن پلیکربنات )PC( پلیکربناتها با ABS آلیاژ هستند. پلیکاپروالکتانها فنیلسولفونها الکل پلیوینیل پلیاستیرن و فلزات پودر از پرشده آمیزههای حتی و متاکریالت پلیمتیل اگرچه ]4 7[. میروند بهکار FDM قطعات ساخت در نیز سرامیکها بهعنوان بزرگتر مقیاس در اما میرود بهشمار کارآمد فناوري FDM ميشود. محسوب کاربردی کمتر نهایی قطعه تولید برای روشی ساخت در شده استفاده مواد ناسازگاری میتوان را موضوع این علت دو مشکل این حل راستای در كرد. قلمداد فناوري این با قطعهها فیزیکی- خواص و کیفیت که متغیرهایی کنترل و مصرفی مواد توسعه راه میدهند قرار تأثیر تحت را روش اين به شده تولید قطعه مکانیکی محیطی هندسی گروه پنج به میتوان را متغیرها این ]1[. پیشروست ]2 8[. است آمده 1 جدول در که کرد دستهبندی فرایند و دستگاه مواد اثرگذارترین شناسایی فرایند بر مؤثر متعدد عوامل وجود دلیل به رد اينرو از میرسد. بهنظر ضروری امری محصول تولید در آنها میشود. پرداخته زمینه این در شده انجام پژوهشهای نتایج به ادامه استحکام بر را فرایند و طراحی متغیرهای اثر ]9[ همکاران و Ahn ]2[. FDM سامانه عملکرد نحوه 1- شکل تیر - خرداد 2 شماره سیام سال پلیمر تکنولوژی و علوم پژوهشی علمی مجله

4 همجوش الیهگذاری روش به اسید پلیالکتیک سهبعدی چاپ در فراورش پارامترهای بهینهسازی همکاران و ازوجی مریم ]2 8[. FDM فرایند متغیرهای 1- جدول هندسی متغیر محیطی متغیرهای مواد ویژگی دستگاه متغیر فرایندی متغیر رشتهگذاری طول دما مواد مشخصههای نازل قطر الیه ضخامت الیه در رطوبت گرانروی رشته تغذیه سرعت الیه در رشته عرض پشتیبان مواد ساختار سفتی جریان سرعت چاپ سرعت انعطافپذیری رشته قطر اکستروژن دمای گرمایی رسانندگی چاپ صفحه دمای الیه در رشتهگذاری الگوی بررسی FDM روش به ABS با شده تولید قطعات فشاری و کششی همنشینی فاصله شده مطالعه متغیرهای بین از دریافتند آنها کردند. را اثر بیشترین )raster orientation( رشتهها زاویه و )air gap( چندرشتهای رنگ و رشتهها عرض و دارند مکانیکی خواص بر تغییر را پدیده این علت آنها ندارد. شده گفته خواص بر اثرچندانی همنشینی فاصله تغییر با یکدیگر کنار شده همنشین الیههای تعداد و رشتهها همنشینی فاصله افزایش با واقع در دانستند. رشتهها بین و میشود کاسته نمونه باربرداری قابلیت از الیه هر در رشتهها کاهش كردند بیان گروه این میکند. پیدا کاهش کششی استحکام نهایت در و کششی استحکام بررسی این در آمده بهدست بهینه مقادیر بهکمک 65% محدوده در ترتیب به روش این به شده تهیه قطعههای فشاری قالبگیری روش به شده ساخته مشابه قطعات 90% تا 80% و 72% تا چون متغیرهایي اثر نیز ]10[ همکاران و Ang میگیرند. قرار تزریقی قطعه قرارگیری و رشتهنشانی الگوی رشتهها عرض همنشینی فاصله داشتند اظهار پژوهشگران این کردند. مطالعه را چاپ صفحه در رشتهها عرض و همنشینی فاصله شده بررسی متغیرهای میان در دارد. مکانیکی خواص بر را اثر بیشترین رشتهنشانی زاويههاي با نمونههایی ]8[ همکاران و Es-Said قطعههای خمشی و کششی خواص بر را زاویه اثر و ساختند مختلف استحکام بیشترین دریافتند آنها کردند. بررسی ABS از شده تولید به آن از پس و بوده 90 /0 زاویه با رشتهنشانی به متعلق کششی میگیرند. قرار 45 +/45 - و 45 /0 زاویه با رشتهنشانی ترتیب روش در 0 زاویه از استفاده کردند بیان پژوهشگران این همچنین معموال تقویتکننده بلند الیاف که دارد عهده به را نقشی همان FDM بنابراین میکنند. ایفا کامپوزیتها درون شده اعمال نیروی راستای در آنها میآید. بهدست کششی استحکام بیشینه مقدار حالت دو هر در 0 زاویه با رشتهنشانی در خمشی استحکام برای را مشابهی نتیجه با شده تهیه نمونههای براي خمشی استحکام اما آوردند. بهدست زاویه برای و بوده متوسط حد در 45 +/45 - رشتهنشانی زاویه است. بوده مقدار کمترین 45 /0 اثر دادند انجام ]11[ همکاران و Bertoldi که پژوهشی در گرمایی انبساط ضریب و سفتی ماتریس بر را نمونهها جهتگیری نمونههایی آزمونکشش هنگام کردند. مطالعه ناهمسانگرد قطعههای شکست بودند شده ساخته ZXY صفحه در عمودی شکل به که در شده چاپ نمونههای اما 2(. )شكل دادند نشان خود از تردی تفاوت این با داشتند. بیشتری چقرمگی XZY و XYZ صفحههای XYZ صفحه در که نمونههایی کششی استحکام و کشسانی مدول که کمترین بودند. بیشتری مقادير دارای ديگر صفحه دو از داشتند قرار ساخته نمونههای برای نیز کشسانی مدول و کششی استحکام مقادیر تعداد افزایش موضوع این دلیل آمد. بهدست ZXY صفحه در شده در اليهها جوش مكان افزايش نتيجه در و نمونه ساخت در الیهها ضعف نقاط از اليه دو مشترك مرز كه آنجا از است. حالت اين رد شده ساخته نمونههاي ميرسد بهنظر منطقي پس ميآيد بهشمار و Hossain باشند. داشته ضعیفتری مكانيكي خواص ZXY صفحه در نمونه قرارگیری نحوه اثر جامعتري پژوهش در ]7[ همکاران آنها نتایج کردند. بررسی را رشتهنشانی زاویه نیز و چاپ صفحه ميآيد بهدست نمونههایی براي کششی استحکام بیشترین داد نشان حالت این در داشتند اظهار آنها شوند. می ساخته XZY شکل به كه به را تعداد بیشترین میگیرند قرار کشش راستای در که رشتههایی ]7[. چاپ صفحه در قرارگرفتن نحوه 2- شکل 1396 تیر - خرداد 2 شماره سیام سال پلیمر تکنولوژی و علوم پژوهشی علمی مجله 118

5 همکاران و ازوجی مریم همجوش الیهگذاری روش به اسید پلیالکتیک سهبعدی چاپ در فراورش پارامترهای بهینهسازی صفحه ZXY در که نمونههایی ترتیب بدین میدهند. اختصاص خود رشتهنشانی دارند. را کششی استحکام مقدار کمترین شدهاند چاپ حاصل را کششی استحکام بیشترین XYZ صفحه در زاویه 0 /90 با رشتهنشانی زاویه با ترتیب به ZXY و XZY صفحههای در و کرده برخوردارند. استحکام بیشترین از 60 +/30 - و 45 +/45 - هستند مطرح FDM روش به قطعهها ساخت در که متغیرهایی دقت سطحی خواص بر بلكه قطعه مکانیکی خواص بر نهتنها متغیرها این اثر اینرو از اثرگذارند. نیز قطعه ساخت زمان و ابعادی بهشمار دیگری موضوعات از ساخت زمان و دقت سطح کیفیت بر است. اخیر سالهای در پژوهشگران مطالعه مورد كه ميآيند ضخامت کاهش با كردند گزارش ]12[ همکاران و Nancharaiah ار نهایی قطعه سطح زبری رشتهها همنشینی فاصله نیز و الیهها قطعهها سطح زبري بهبود علت گروه این بخشید. بهبود میتوان و الیهها ضخامت کاهش از ناشی فرج و خلل مقدار کاهش به را زین ]13[ همکاران و Anitha دادند. نسبت رشتهها همنشینی فاصله روش به شده ساخته و ABS از شده تهیه قطعات سطح بررسی در مورد ديگر متغیر دو به نسبت الیهها ضخامت کردند بیان FDM سطح زبری بر را اثر بیشترین رشتهها( عرض و )سرعت آنها مطالعه نحوه شامل فرایندی متغیر پنج اثر ]14[ همکاران و Sood دارد. قطعه الیهها ضخامت رشتهها عرض چاپ صفحه در نمونه قرارگیری هعطق ابعادی دقت بر را رشتهنشانی زاویه و رشتهها همنشینی فاصله تمام در ابعادی جمعشدگی دریافتند آنها كردند. بررسي نهایی و شده چاپ قطعه ابعادی اختالف کاهش برای و میافتد اتفاق جهات دادند. گزارش را متغیرها از هریک از مشخصی مقادیر طراحی تمام برای بهینه مقدار به دستیابی کردند بیان پژوهشگران این در است. متفاوت کیفیت معیار زیرا نیست امکانپذیر متغیرها این گرفت انجام ]15[ همکاران و Nancharaiah توسط که مطالعهای همنشینی فاصله و الیهها ضخامت نظیر متغیرهایی شد مشخص هستند. مؤثر قطعه ساخت زمان روی مالحظهای قابل بهطور رشتهها فاصله برای و 66/57% الیهها ضخامت برای اثرگذاری این مقدار داد نشان آنها مطالعه آمد. بهدست 30/77% رشتهها همنشینی زاویه و 0/02 mm همنشینی فاصله 0/33 اليه mm ضخامت انتخاب است. قطعه ساخت زمان کاهش براي بهینه مقادیري 30 رشتهنشانی است آن میشود احساس شده ارائه نتایج در آن نبود که نکتهای زاویه اثر آن براساس تا نشده تعيين بهینه الیه ضخامت تاکنون كه شده تهيه قطعههای مکانیکی خواص بر چاپ صفحه و رشتهنشانی شده سعی حاضر مقاله در رو این از شود. مطالعه FDM روش به این مصرفی پلیمر بهعنوان )PLA( اسید پلیالکتیک از استفاده با پژوهش این در درضمن شود. بررسی آن دالیل و مطالعه موضوع الکترونی میکروسکوپ از شده تعیین اهداف به دستیابی برای و کشش دستگاه )DSC( تفاضلی پویشی گرماسنج )SEM( پویشی است. شده استفاده زبریسنج تجربي دستگاهها و مواد قطعهها ساخت براي رفته بهکار PLA رشتههای پژوهش اين در شد. تهيه Filamaan PLA تجاری نام با ایران پلیمر مان شرکت از ساخت Netzsch 200 F3 Maia ) DSC (و تفاضلی پویشی گرماسنج و ایران سنتام شرکت ساخت Universal کشش دستگاه آلمان Mitutoyo شرکت ساخت SJ-210 مدل اتصالی زبریسنج دستگاه شد. گرفته بهكار ژاپن روشها در FDM روش به ایزو استاندارد مطابق کشش آزمون نمونههای تحت 0/4( mm و 0/2 0/1 )0/05 متفاوت الیه ضخامت چهار دستگاه از استفاده با XYZ چاپ صفحه در و 45 +/45 - زاویه تنظیمات با و کویر پردازش سیزان ایرانی شرکت ساخت Sizan 2 که نمونههایی ضخامت سپس شدند. ساخته ۲ جدول در شده بیان درنظر بهینه ضخامت بهعنوان داشتند را کششی استحکام بیشترین زاويههاي با نمونههایی بهینه ضخامت در آن از پس شد. گرفته و شده تهیه 90 /0 و 45 +/45-60 /30 - مختلف رشتهنشانی رشتهنشانی زاویه بخش این نتایج از گرفتند. قرار کشش آزمون مورد زاویه و الیه ضخامت با نمونههایی بعد مرحله در شد. تعيين بهینه )ZXY و XYZ XZY( متفاوت چاپ صفحه سه در بهینه رشتهنشانی چاپ. شرایط ۲- جدول متغیر )mm( نازل قطر )mm( رشته قطر محیطی رشتههای تعداد )mm( رشتهها همپوشانی میزان )%( پرشدگی ضریب پرشدگی نوع )mm/s( چاپ سرعت مقدار ۰/۴ ۱/۷۵ ۳ ۰/۰۶ ۱۰۰ شبکه ۴۰ تیر - خرداد 2 شماره سیام سال پلیمر تکنولوژی و علوم پژوهشی علمی مجله

6 همجوش الیهگذاری روش به اسید پلیالکتیک سهبعدی چاپ در فراورش پارامترهای بهینهسازی همکاران و ازوجی مریم بیشترین آن در نمونهها که صفحهای کشش آزمون با و شدند ساخته در شد. تعیین بهینه چاپ صفحه بهعنوان داشتند را کششی استحکام کدگذاری راهنماي شد. بررسی نیز قطعهها سطح زبری مقدار نهایت اين به توجه با است. آمده ۳ جدول در شده ساخته نمونههای و 0/05 mm اليه ضخامت دارای L1A2P3 نمونه مثال بهطور جدول شده چاپ ZXY ساخت صفحه در 45 +/45 - رشتهنشاني زاويه و است نمونه شماره تیره خط از پس شده بیان عدد درضمن است. بهکمک رفته بهكار پليمر بلورینگی و گرمایی رفتار ندارد. خاصی معنی ۵±۰/1 mg وزن به پليمري نمونه كار اين براي شد. بررسی DSC آزمون سرعت با 180 C تا محيط دماي از و گرفت قرار DSC دستگاه درون شد. سرد محيط دماي تا سرعت همين با سپس شد. داده گرما 10 C/min شد. داده گرما 180 C دماي تا پیشگفته شرايط با نمونه ديگر بار آن از پس و یانگ مدول کششی استحکام نظیر مکانیکی خواص بررسی برای اندازه شد. استفاده کشش آزمون از نيز شکست تا طول ازدیاد مقدار با نمونهها تمام و شده طراحي ISO 527-5A استاندارد مطابق نمونهها برحسب تنش تغييرات نمودار از شدند. کشیده 5 mm/min سرعت است گفتنی آمدند. بهدست كشش به مربوط مقادير نمونهها كرنش و میانگین مقادیر و گرفته قرار کشش آزمون در نمونه چهار هرحالت در زبریسنج دستگاه با زبریسنجی آزمون شدند. محاسبه نیز معیار انحراف هنگام و داشت قرار DIN استاندارد حالت در دستگاه شد. انجام اتصالی 4 mm طول در بود ۲ μm آن نوک قطر که دستگاه کاونده آزمون انجام میپرداخت. کاوش به زبری مقدار تعیین برای نمونه سطح از بحث و نتایج ميشود ديده آمد. بهدست 150/8 C قله در ماده ذوب دمای و 60 C و گرمادهي مرحله در اما نمیافتد اتفاق سردكردن مرحله در تبلور منحنی ميدهد. رخ سرد تبلور 125 C تا 100 C دمایی محدوده در میافتد. اتفاق 165 C تا 130 C دمایی محدوده در نیز پلیمر این ذوب 165 C نزديك حداقل باید چاپگر نازل دمای مزبور نتایج به توجه با شده ذوب پليمري رشته در موجود بلورهاي اغلب تا شود انتخاب گرانروی داشتن و بلورها تمام ذوب از بيشتر اطمينان براي باشند. حدود که شد انتخاب 200 C ماده این برای نازل دمای قبول قابل ماده دما اين در درضمن است. PLA ذوب دمای از بیشتر 35 C است. مصون فرايند زمان در تخريب از مزبور کششی خواص الیهها ضخامت اثر کششی مدول و استحکام مقادیر ترتیب به 5 و 4 شکلهای در شده داده نشان مختلف الیههای ضخامت با شده ساخته نمونههای الیهها ضخامت افزایش با میشود مشاهده که همانطور است. این در مییابد. کاهش اندکی نمونهها کششی مدول و استحکام و ثابت بررسی شرایط در نمونهها پرشدگي درصد شد سعی مطالعه تغییر با میشود سبب ثابت پرشدگی درصد باشد. 100% برابر ابعاد که آنجا از اما نکند. تغییری مصرفی مواد مقدار الیه ضخامت میشود. افزوده اليهها نمونهسازی زمان به است یکسان نمونهها را الیهها تعداد و نمونه ساخت زمان مصرفی مواد وزن ۴ جدول ضخامت کاهش با میدهد. نشان شده مطالعه الیههای ضخامت برای هب نازل جدید الیه ضخامت کمبودن دلیل به الیهنشانی هنگام الیهها گرمایی آزمون ار PLA نمونه سردكردن و دوم گرمادهي دمانگاشتهاي 3 شكل حدود شيشهاي انتقال دماي DSC دمانگاشت بهكمك ميدهد. نشان شده. بررسی متغیرهای به توجه با نمونهها کدگذاری ۳- جدول متغیر متغیر ضریب.FDM فرایند برای شده استفاده رشتههای DSC دمانگاشت 3- شکل 4 0/ /2 0/1-30 / /+45 ZXY XZY 1 0/05 0 /90 XYZ )L( ضخامت رشتهنشانی زاویه )A( ساخت صفحه )P( 1396 تیر - خرداد 2 شماره سیام سال پلیمر تکنولوژی و علوم پژوهشی علمی مجله 120

7 همکاران و ازوجی مریم همجوش الیهگذاری روش به اسید پلیالکتیک سهبعدی چاپ در فراورش پارامترهای بهینهسازی بررسی. شرایط در نمونهسازی مشخصات ۴- جدول )mm( ضخامت 0/4 0/2 0/1 0/05 1/65 1/65 1/65 1/ متغیر )g( مصرفی مواد وزن )min( نمونهسازی زمان الیهها تعداد الیههای ضخامت با شده ساخته نمونههای کششی استحکام 4- شکل 45 +/45 -. رشتهنشانی زاویه در و مختلف الیهها آن نازل وگرمای است نزدیکتر شده پیشنشانده از الیههای كه حالتی در نتیجه در میدارد. نگه مذاب به نزدیک حالت در را پیشین اليه روي جديد اليه نشاندن با مييابد كاهش اليه ضخامت هب الیهها اتصال اینرو از ميشود. بيشتر اليهها درهمرفتگي مقدار نمونه یکپارچگی و انسجام بیشترشدن با و يافته افزايش یکدیگر میشود. زیاد استحکام سه برای مدول که است آن از حاکی نیز مدول تغییرات روند یافته کاهش کمی شیب با 0/2 mm و 0/1 0/05 اليه ضخامت است. محسوستر 0/4 mm اليه ضخامت برای کاهش این ولی تصاویر در حفرهها پراکندگی و اندازه در میتوان را پدیده این علت کرد. جستوجو نمونهها مقطع سطح از شده گرفته میکروسکوپی نمونههای شکست سطح از الکترونی میکروسکوپ تصاویر 6 شکل اب و 45 +/45 - رشتهنشانی زاویه در XYZ صفحه در شده ساخته الیههای ضخامت با شده ساخته نمونههای کششی مدول 5- شکل 45 +/45 -. رشتهنشانی زاویه در و مختلف زیادشدن با میشود دیده میدهد. نشان را مختلف ضخامتهای رب زیادی اثر که مییابد افزایش حفرهها اندازه و تعداد ضخامت با نمونه در بهویژه مسئله این دارد. نمونه کششی استحکام کاهش این دیگر سوی از ]7[. دارد بیشتری وضوح 0/4 mm ضخامت قویتر اتصال از ناشی میتوان را مدول کاهش در حفرهها زیاد اثر ره در رشتهها اتصال یکپارچگی و کمتر ضخامتهای در الیهها علت به رشتهها بیشتر ضخامتهای در که حالی در دانست. الیه اب و میکنند عمل مستقل ضعیفتر اتصال نتیجه در و کمتر درهمرفتگی میشود. فراهم قطعه استحکام کاهش برای بستر بیشتر حفرههای وجود رشتهنشانی زاویه اثر و استحکام بر زاویهرشتهنشانی اثر ترتیب به 8 و 7 شکلهای در میدهد نشان 7 شکل است. شده داده نشان قطعهها کششی مدول و بیشترین دارای است 90 /0 آنها در رشتهنشانی زاویه که نمونههایی شدهاند ساخته 45 +/45 - رشتهنشانی زاویه با که نمونههایی کششی استحکام کمبودن هستند. کششی استحکام کمترین دارای میتوان را 45 +/45 - رشتهنشانی زاویه با شده ساخته نمونههای زاویه نیرو محور با رشتهها آنکه اول دانست. پدیده دو از ناشی حالت در آنکه دوم ]5[. میکنند تحمل را کمتری نیروی و میسازند در و است بیشتر قطعه محور راستای در رشتهها عرض زاویهدار میشود. کمتر نمونه عرض پرکردن برای الزم رشتههای تعداد نتیجه رشتهها بین خالی فضای 60 +/30 - زاویه با رشتهنشانی حالت در مربوط خالی فضای مقدار ۸۰% محیطی رشتههای به اتصال محل در هک 9( )شکل است 45 +/45 - رشتهنشانی زاویه با نمونههای به نمونههای به نسبت را نمونهها این استحکام بیشتربودن موضوع این میکند. توجیه 45 +/45 - رشتهنشانی زاویه تغییر میدهد نشان 8 شکل دیگر سوی از میکند. تغییراتی دستخوش نیز را نمونهها کششی مدول کشش راستای به نسبت زاویهدار شکل به رشتهها آرایشیافتگی روند ایجاد سبب 60 +/30 - و 45 +/45 - رشتهنشانی زاویه در نیروی از کوچکی کسر رشتهها زیرا میشود. مدول در کاهشی تیر - خرداد 2 شماره سیام سال پلیمر تکنولوژی و علوم پژوهشی علمی مجله

8 مریم ازوجی و همکاران بهینه سازی پارامترهای فراورش در چاپ سه بعدی پلی الکتیک اسید به روش الیه گذاری هم جوش (الف) (ب) (ج) (د) (هـ) (و) (ز) (ح) شکل -6 تصاویر میکروسکوپ الکترونی در دو بزرگ نمایی مختلف از سطح شکست نمونه های ساخته شده با ضخامت الی ه مختلف و زاویه رشته نشانی 45 در صفحه ( :XYZ الف) و (ب) ( 0/05 mm ج) و (د) ( 0/1 mm هـ) و (و) 0/2 mm و (ز) و (ح).0/4 mm وارد شده را متحمل می شوند (نیرویی معادل FcosƟ به وسیله هر رشته تحمل می شود) و مدول هم به طور مستقیم با تنش (نیرو) متناسب است. شایان ذکر است مدول در ناحیه کشسان ( پیش از کرنش )۲% محاسبه می شود. بنابراین فضاهای خالی که در بحث استحکام نقش آفرین هستند در این ناحیه مؤثر واقع نمی شوند. تصاویر میکروسکوپی سطح شکست نمونه های با زاويه هاي مختلف در شکل ۱۰ نشان داده شده است. همان طور که در اين شکل می توان در شکل های ۱۱ و ۱۲ به ترتیب اثر نحوه قرارگیری نمونه در شکل -7 اثر زاوی ه رشته نشانی بر استحكام کششی نمونه ها با ضخامت 0/05 mm در صفحه XYZ شکل -8 اثر زاوی ه رشته نشانی بر مدول کششی نمونه ها با ضخامت 0/05 mm در صفحه.XYZ 122 دید از نظر وجود نقص فضای خالی در مرکز قطعه تمایز قابل مالحظه ای در حالت های مختلف وجود ندارد. درضمن فضاهای خالی مربوط به نواحی اتصال به رشته های محیطی که در بخش قبل مطرح شد نیز می تواند در سطح شکست مشاهده نشود. اثر نحوه قرارگیری نمونه در صفح ه چاپ مجله علمی ـ پژوهشی علوم و تکنولوژی پلیمر سال سی ام شماره 2 خرداد - تیر 1396

9 همکاران و ازوجی مریم همجوش الیهگذاری روش به اسید پلیالکتیک سهبعدی چاپ در فراورش پارامترهای بهینهسازی رشتهنشانی زاویه با نمونهها چاپ در خالی فضاهای 9- شکل شده داده نشان قطعهها کششی مدول و استحکام بر چاپ صفحه برای کششی مدول و استحکام میشود مشاهده که همانطور است. نمونههایی از بیشتر شدهاند ساخته XYZ صفحه در که نمونههایی با اگرچه میشوند. ساخته ZXY و XZY صفحههای در که است تعداد کرد بیان میتوان چاپ هنگام به رشتهنشانی نحوه به توجه هک نمونههایی در میشوند نشانده کشش راستای در که رشتههایی است. دیگر صفحه دو از بیشتر شدهاند ساخته XZY صفحه در هک است بهگونهای نمونهها این در موجود حفرههای وجود اما شده ساخته نمونههای به نسبت را آنها کششی مدول و استحکام ۱۳(. )شکل میدهد کاهش توجهی قابل مقدار به XYZ صفحه در رد شده نصب نرمافزار رشتهنشانی منطق از ناشی حفرهها این تشکیل نازل قطر از کمتر فواصل FDM دستگاه که بهطوری است دستگاه XZY صفحه در که نمونههایی برای مثال بهعنوان پرنمیکند. را میماند. باقی خالی و نشده پر الیه هر از 7% حدودا شدهاند ساخته وجود دلیل به نیز ZXY صفحه در شده ساخته نمونههای درضمن کمترین کشش محور راستای در شده نشانده رشتههای تعداد کمترین دارند. را کششی مدول و استحکام نمونهها سطح زبری بررسی آمده ۱۵ و ۱۴ شکلهای در نیز زبریسنجی آزمون به مربوط نتایج مرسوم متغیرهای تا است الزم آزمون این نتایج بررسی از پیش است. در زبری متغیر متداولترین R a شوند. معرفی دوبعدی حالت در زبری کمیت این میشود. نامیده نیز میانه خط متوسط و است دوبعدی حالت مطلق قدر میانگین شکل به و است سطح کیفیت کنترل برای معیاری نمونهبرداری طول یک در میانه خط از ناهمواریها انحرافهای ارتفاعهای تمام میانگین R a واقع در میشود. اندازهگیری و تعریف محاسبه )1( معادله از و است نمونهبرداری طول یک در درهها و قلهها مثبت ارتفاع با نقاط تعداد M میانه خط از نقاط ارتفاع ηو)x( میشود. میدهد. نشان را منفی)دره( ارتفاع با نقاط تعداد N و )قله(.-30 /+60 و -45 /+45 )ج( )ب( )الف( )و( )ه( )د( الیه ضخامت به XYZ صفحه در شده ساخته نمونههای شکست سطح از مختلف بزرگنمایی دو با الکترونی میکروسکوپ تصاویر ۱۰- شکل 60 /30 -. )و( و )ه( و 45 +/45 - )د( و )ج( 90 /0 )ب( و )الف( : متفاوت: رشتهنشانی زاويههای و 0/05 mm تیر - خرداد 2 شماره سیام سال پلیمر تکنولوژی و علوم پژوهشی علمی مجله

10 همجوش الیهگذاری روش به اسید پلیالکتیک سهبعدی چاپ در فراورش پارامترهای بهینهسازی همکاران و ازوجی مریم 1 M 1N 1 a = η(x i, yi) MN i= 0 j= 0 R )1( )Root mean square devia- سطح انحراف مربعات میانگین ریشه R q صورت به که است دوبعدی حالت در tion of the surface, RSM( مرجع سطح یک از سطح نامطلوب انحراف مربعات میانگین ریشه y i معادله این در میآید. بهدست )2( معادله از و میشود تعریف میکند: بیان را نقاط این تعداد n و مرجع سطح از نقاط ارتفاع 1 R )2( n 2 q = y i n i= 1 ضخامت با نمونههای کششی استحکام بر چاپ صفحه اثر ۱۱- شکل با شده ساخته نمونههای کششی مدول بر چاپ اثرصفحه ۱۲- شکل 90 /0. زاویه و 0/05 mm اليه ضخامت )Y min ( دره عمیقترین و Y( max ( قله بلندترین بین عمودی فاصله R z )3( معادله از و است عرضی نیمرخ از نمونهبرداری طول یک در 90 /0. زاویه و 0/05 mm اليه )ج( )ب( )الف( )و( )ه( )د( زاویه 0/05 و mm الیه ضخامت به شده ساخته نمونههای شکست سطح از مختلف بزرگنمایی دو در الکترونی میکروسکوپ تصاویر ۱۳- شکل.ZXY )و( و )ه( و XZY )د( و )ج( XYZ )ب( و )الف( متفاوت: صفحات در 0 رشتهنشانی 1396 تیر - خرداد 2 شماره سیام سال پلیمر تکنولوژی و علوم پژوهشی علمی مجله 124

11 همکاران و ازوجی مریم همجوش الیهگذاری روش به اسید پلیالکتیک سهبعدی چاپ در فراورش پارامترهای بهینهسازی ضخامتهای در شده ساخته نمونههای زبری شاخصهای ۱۴- شکل 45 +/45-. رشتهنشانی زاویه و مختلف زاویههای در شده ساخته نمونههای زبری شاخصهای ۱۵- شکل 0/05. mm ضخامت و مختلف رشتهنشانی ]16[: میشود محاسبه R z = Y Y )3( max min زبری تعیین برای شده اندازهگیری شاخصهای تغییرات ۱۴ شکل و مختلف ضخامتهای با که میدهد نشان را نمونههایی سطح شدهاند. ساخته XYZ صفحه در 45 +/45- رشتهنشانی زاویه در فاصله الیهگذاری ضخامت افزایش با پیداست نتایج از که همانطور الیهنشانی آن علت که داشته را تغییر بیشترین نمونه در قله-دره گرد و دستنخورده تقریبا شکل به نازل از شده خارج رشتههای نشان نتایج درضمن میکند. ایجاد را نایکنواختی بیشترین که است بررسی برای بهتری معیار دیگر شاخصهای به نسبت Rz میدهد شاخص دو به نسبت محسوستری تغییرات زیرا نمونههاست. زبری میدهد. نشان دیگر زبری تعیین برای را شده اندازهگیری شاخصهای تغییرات ۱۵ شکل رد مختلف رشتهنشانی زاویههای با که میدهد نشان نمونههایی سطح همانطور شدهاند. ساخته صفحه XYZ در و 0/05 الیه mm ضخامت شده بیشتر سطح زبری رشتهنشانی زاویه افزایش با میشود دیده که رد رشتهها بیشتر همپوشانی به حدی تا میتوان را موضوع این است. حرکت با همپوشانی نواحی در زیرا دانست. مرتبط زاویهدار حالت حجم دلیل به نازل از خروجی مواد مشخص ارتفاع یک در نازل و میشوند فشرده مجاور نواحی سمت به فضا کمبود و مواد بیشتر به را خود ارتفاع در مواد شکلگیری این میگیرند. شکل ارتفاع در ]12[. میدهد نشان بیشتر زبری شکل نتيجهگيري زاویه اثر بررسی نیز و بهینه الیه ضخامت تعیین برای کار این در FDM روش به شده ساخته قطعههای چاپ صفحه و رشتهنشانی نمونهها شدند. تهیه ISO استاندارد براساس PLA جنس از نمونههایی آزمون مورد ترتیب به سطحی و مکانیکی خواص بررسی برای در که است آن از حاکی نتایج گرفتند. قرار زبریسنجی و کشش به 0/4 mm از الیهها ضخامت کاهش با شده انتخاب چاپ شرایط نمونهها سطح زبری و افزایش کششی مدول و استحکام 0/05 mm و 0/05 mm الیه ضخامت با که نمونههایی درضمن مییابد. کاهش بیشترین دارای شدند ساخته XYZ صفحه در 0 رشتهنشانی زاویه صافی از رشتهنشانی زاویه افزایش بودند. کششی مدول و استحکام زین چاپ صفحه در قطعه قرارگیری نحوه و میکاهد نمونهها سطح است. مؤثر نمونهها مکانیکی خواص بر مالحظهای قابل بهطور مراجع 1. Panda S.K., Padhee S., Sood A.K., and Mahapatra S.S., Optimization of Fused Deposition Modelling (FDM) Process Parameters Using Bacterial Foraging Technique, Intell. Inf. Manag, 1, 89-97, تیر - خرداد 2 شماره سیام سال پلیمر تکنولوژی و علوم پژوهشی علمی مجله

12 بهینهسازی پارامترهای فراورش در چاپ سهبعدی پلیالکتیک اسید به روش الیهگذاری همجوش مریم ازوجی و همکاران 2. Mohamed O.A., Masood S.H., and Bhowmik J.L., Optimization of Fused Deposition Modeling Process Parameters: A Review of Current Research and Future Prospects, Adv. Manufact., 3, 42-53, Zamani J. and Partovipoor H., Rapid Prototyping Method in Mechanical Engineering, Khaje Nasir University, Tehran, 1-50, Hwang S., Reyes E.I., Moon K., Rumpf R.C., and Kim N.S., Thermo-mechanical Characterization of Metal/Polymer Composite Filaments and Printing Parameter Study for Fused Deposition Modeling in the 3D Printing Process, J. Electron. Mater., 44, , Wu W., Geng P., Li G., Zhao D., Zhang H., and Zhao J., Influence of Layer Thickness and Raster Angle on the Mechanical Properties of 3D-Printed PEEK and a Comparative Mechanical Study Between PEEK and ABS, Materials, 8, , Christiyan K.G.J., Chandrasekhar U., and Wenkatesvarlu K., A Study on the Influence of Process Parameters on the Mechanical Properties of 3D Printed ABS Composite, Mater. Sci. Eng., 114, 1-8, Hossain M.S., Espalin D., Ramos J., Perez M., and Wicker R., Improved Mechanical Properties of Fused Deposition Modeling- Manufactured Parts Through Build Parameter Modifications, J. Manuf. Sci. Eng., 136, 1-12, Najafloo B., Razavi-Nouri M., and Rezadoust A.M., A Review on Fused Deposition Modeling Method, Polymerization, 6, 74-85, Ahn S.H., Montero M., Odell D., Roundy S., and Wright P.K., Anisotropic Material Properties of Fused Deposition Modeling ABS, Rapid Prototyping J., 8, , Ang K.C., Leong K.F., Chua C.K., and Chandrasekaran M., Investigation of the Mechanical Properties and Porosity Relationships in Fused Deposition Modelling-Fabricated Porous Structures, Rapid Prototyping J., 12, , Bertoldi M., Yardimci M.A., Pistor C.M., Güçeri S.I., and Sala G., Mechanical Characterization of Parts Processed via Fused Deposition, Proceedings of the 1998 Solid Freeform Fabrication Symposium,The University of Texas at Austin, Austin, Texas10-12, August, , Nancharaiah T., Raju D.R., and Raju V.R., An Experimental Investigation on Surface Quality and Dimensional Accuracy of FDM Components, Int. J. Emerg. Technol., 1, , Anitha R., Arunachalam S., and Radhakrishnan P., Critical Parameters Influencing the Quality of Prototypes in Fused Deposition Modelling, J. Mater. Process. Tech., 118, , Sood A.K., Ohdar R., and Mahapatra S., Improving Dimensional Accuracy of Fused Deposition Modelling Processed Part Using Grey Taguchi Method, Mater. Design, 30, , Nancharaiah T., Optimization of Process Parameters in FDM Process Using Design of Experiments, Int. J. Emerg. Technol., 2, , Sadegh-Hassani S., Afzali J., and Khosravi M., Atomic Force Microscopy, Gisum, Tehran, , مجله علمی پژوهشی علوم و تکنولوژی پلیمر سال سیام شماره 2 خرداد - تیر 1396