اثر پارامترهای فرایندی چاپگر ساخت رشته ذوبی بر استحکام کششی و چگالی نانوکامپوزیت‌های پلی( لاکتیک اسید)-نانورس

نوع مقاله : پژوهشی

نویسندگان

ارومیه، دانشگاه ارومیه، دانشکده فنی و مهندسی، گروه مهندسی مکانیک، صندوق پستی 57561-15311

چکیده

فرضیه‌: روش ساخت رشته ذوبی به‌دلیل مزایای آن، از جمله سادگی استفاده، مقرون به‌صرفه‌بودن و دسترس‌پذیری، پرکاربردترین روش تولید افزودنی است. خواص مکانیکی پلی(‌لاکتیک اسید) چاپ‌شده با روش ساخت رشته ذوبی را می‌توان با ترکیب آن‌ها با نانومواد نظیر نانورس و بهینه‌سازی پارامترهای فرایندی چاپ مانند دمای چاپ و زاویه رستر، به‌طور شایان توجهی بهبود بخشید.
روش‌ها: برای بررسی و بهینه‌سازی چندهدفی فرایند چاپ سه‌بعدی نمونه‌های نانوکامپوزیتی پلی(‌لاکتیک اسید) تقویت‌شده با نانوذرات رس از روش سطح پاسخ به‌عنوان یکی از روش‌های طراحی آزمایش‌ها، استفاده شد. دمای افشانک (190، 210 و 230 درجه سلسیوس)، زاویه رستر (0، 45 و °90) و مقدار نانورس (0، 2 و %4 وزنی) برای بهینه‌سازی پاسخ‌های خروجی مطالعه شدند. اختلاط ذوبی پلی(‌لاکتیک اسید) با نانوذرات رس با اکسترودر دو‌پیچی انجام شد و به‌کمک دانه‌ساز، دانه‌های کامپوزیتی پلی(‌لاکتیک اسید) دارای 2 و %4 وزنی نانورس تهیه شدند. دانه‌های کامپوزیتی تهیه‌شده وارد اکسترودر تک‌پیچی شده و رشته‌های کامپوزیتی تولید شدند.
یافته‌ها: براساس نتایج بررسی مشارکت پارامترها بر داده‌های چگالی اثر متقابل درصد وزنی نانورس و دمای افشانک به‌ترتیب بیشترین مشارکت و زاویه رستر کمترین اثرگذاری را بر داده‌های چگالی داشته و برای نتایج استحکام کششی، مقدار درصد وزنی نانورس بیشترین اثرگذاری و اثر متقابل درصد وزنی نانورس و زاویه رستر کمترین اثرگذاری را در بین پارامترهای بررسی‌شده داشتند. همچنین نتایج مربوط به بهینه‌سازی چندهدفی نشان داد، بیشترین سطح درصد وزنی نانورس (%4 وزنی)، بیشترین سطح دمای افشانک (230 درجه سلیسوس) و زاویه رستر حدود °25.5، بهینه شرایط فرایندی برای دستیابی به بیشینه استحکام کششی 33.78MPa و کمینه چگالی1.089g/cm3 است.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Effect of Printer Process Parameters of Fused Filament Fabrication on the Tensile Strength and Density of Polylactic Acid/Nanoclay Nanocomposites

نویسندگان [English]

  • Taher Azdast
  • Rezgar Hasanzadeh
  • Peyman Mihankhah
Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, Urmia University, P.O. Box: 15311-57561, Urmia, Iran
چکیده [English]

Hypothesis: Fused filament fabrication (FFF) method is widely used in additive manufacturing due to its benefits, such as ease of use, cost-effectiveness, and availability. The mechanical properties of polylactic acid (PLA) printed by the FFF method can be significantly improved by combining them with nanomaterials such as nanoclay and optimizing the printing process parameters such as printing temperature and raster angle.
Methods: In order to investigate and optimize the multi-objective 3D printing process of PLA nanocomposite samples reinforced by nanoclay, the response surface method (RSM) was used as one of the methods of design of experiments. Nozzle temperature (190, 210 and 230°C), raster angle (0, 45 and 90°) and nanoclay weight percentage (0, 2 and 4% by wt) were studied to optimize output responses. Melt mixing of PLA with nanoclay particles was done using a twin-screw extruder machine and a granulator machine. The composite granules of PLA were prepared with 2 and 4% (by wt) of nanoclay. The prepared composite granules were entered into a single-screw extruder and composite filaments were produced.
Findings: The analysis of parameter participation in the density data reveals that the weight percentage of nanoclay and the nozzle temperature exhibit the most substantial influence, while raster angle has the least impact. Conversely, when considering tensile strength results, the weight percentage of nanoclay is the dominant factor, while the interaction between the weight percentage of nanoclay and raster angle has the smallest influence among the parameters under investigation. The multi-objective optimization results revealed that the optimal process conditions to achieve maximum strength are a nanoclay weight percentage of 4% (by wt), a nozzle temperature of 230°C, and a raster angle of about 25.5°. The tensile strength of the parts produced is 33.78 MPa, and their density is at least 1.089 g/cm3.

کلیدواژه‌ها [English]

  • fused filament fabrication (FFF)
  • 3D printing parameters
  • polylactic acid/nanoclay composite
  • mechanical properties
  • optimization

مراجع

  1. Rasaki S.A., Liu C., Lao C., Zhang H., and Chen Z., The Innovative Contribution of Additive Manufacturing towards Revolutionizing Fuel Cell Fabrication for Clean Energy Generation: A Comprehensive Review,  Sustain. Energy Rev., 148, 111369, 2021.
  2. Hasanzadeh R., Mihankhah P., Azdast T., Aghaiee S., and Park C.B., Optimization of Process Parameters of Fused Filament Fabrication of Polylactic Acid Composites Reinforced by Aluminum Using Taguchi Approach, Metals, 13, 1013, 2023.
  3. Rasouli A., Azdast T., Mohammadzadeh H., Mihankhah P., and Hasanzadeh R., Morphological Properties and Mechanical Performance of Polylactic Acid Scaffolds Fabricated by Novel Fused Filament Fabrication/Gas Foaming Coupled Method, J. Adv. Des. Manuf. Technol., 119, 7463-7474, 2022.
  4. Soheilpour Z., Rezadoust A.M., Razavi-Nouri M., Garoosi K., and Ghaffarian S.R., Influence of Multi-Walled Carbon Nanotubes on Tensile Properties and Printing Quality of 3D-Printed Acrylonitrile-Butadiene-Styrene Nanocomposites, J. Polym. Sci. Technol. (Persian),32, 497-507, 2020.
  5. Hasanzadeh R., Mihankhah P., Azdast T., Rasouli A., Shamkhali M., and Park C.B., Biocompatible Tissue-Engineered Scaffold Polymers for 3D Printing and Its Application for 4D Printing, Eng. J., 146616, 2023.
  6. Hasanzadeh R., Mihankhah P., Azdast T., Bodaghi M., and Moradi M., Process-Property Relationship in Polylactic Acid Composites Reinforced by Iron Microparticles and 3D Printed by Fused Filament Fabrication, Eng. Sci., 64, 399-411, 2024.
  7. Tümer E.H. and Erbil H.Y., Extrusion-Based 3D Printing Applications of PLA Composites: A Review, Coatings, 11, 390, 2021.
  8. Rasouli A., Azdast T., Mohammadzadeh H., Mihankhah P., and Hasanzadeh R., Introducing a Novel Combined Method of Fused Filament Fabrication (FFF)/Batch Foaming to Improve the Properties of Biodegradable Polylactic Acid, Modares Mechan. Eng. (Persian), 22, 15-22, 2021.
  9. Saini P., Arora M., and Kumar M.R., Poly(lactic acid) Blends in Biomedical Applications, Drug Delivery Rev., 107, 47-59, 2016.
  10. Banjanin B., Vladić G., Adamović S., and Bošnjaković G., Global Market Structure, InPolymers for 3D Printing, William Andrew, 353-367, 2022.
  11. Pavan M.V., Balamurugan K., Srinivasadesikan V., and Lee S.L., Impact and Shear Behavior of PLA/12% Cu Reinforced Composite Filament Printed at Different FDM Conditions, Arabian J. Sci. Eng., 46, 12709-12720, 2021.
  12. Zhang X., Chen L., Mulholland T., and Osswald T.A., Characterization of Mechanical Properties and Fracture Mode of PLA and Copper/PLA Composite Part Manufactured by Fused Deposition Modeling, SN Appl. Sci., 1, 1-12, 2019.
  13. Zhang X., Chen L., Mulholland T., and Osswald T.A., Effects of Raster Angle on the Mechanical Properties of PLA and Al/PLA Composite Part Produced by Fused Deposition Modeling,  Adv. Technol., 30, 2122-2135, 2019.
  14. Vinay D.L., Keshavamurthy R., and Tambrallimath V., Enhanced Mechanical Properties of Metal Filled 3D Printed Polymer Composites, Inst. Eng. (India): Ser. D, 1-15, 2022.
  15. Hanon M.M., Alshammas Y., and Zsidai L., Effect of Print Orientation and Bronze Existence on Tribological and Mechanical Properties of 3D-Printed Bronze/PLA Composite, J. Adv. Des. Manuf. Technol., 108, 553-570, 2020.
  16. Liu Z., Lei Q., and Xing S., Mechanical Characteristics of Wood, Ceramic, Metal and Carbon Fiber-Based PLA Composites Fabricated by FDM,  Mater. Res. Technol., 8, 3741-3751, 2019.
  17. Mihankhah P., Azdast T., Mohammadzadeh H., Hasanzadeh R., and Aghaiee S., Fused Filament Fabrication of Biodegradable Polylactic Acid Reinforced by Nanoclay as a Potential Biomedical Material, Thermoplast. Compos. Mater., 36, 961-983, 2021.
  18. Teixeira E.D.M., De Campos A., Marconcini J.M., Bondancia T.J., Wood D., Klamczynski A., and Glenn G.M., Starch/Fiber/Poly(lactic acid) Foam and Compressed Foam Composites, RSC Adv., 4, 6616-6623, 2014.
  19. Shishavan S.M., Azdast T., and Ahmadi S.R., Investigation of the Effect of Nanoclay and Processing Parameters on the Tensile Strength and Hardness of Injection Molded Acrylonitrile Butadiene Styrene–Organoclay Nanocomposites, Des., 58, 527-534, 2014.
  20. Gonabadi H., Yadav A., and Bull S.J., The Effect of Processing Parameters on the Mechanical Characteristics of PLA Produced by a 3D FFF Printer, J. Adv. Des. Manuf. Technol., 111, 695-709, 2020.
  21. Weng Z., Wang J., Senthil T., and Wu L., Mechanical and Thermal Properties of ABS/Montmorillonite Nanocomposites for Fused Deposition Modeling 3D Printing, Des., 102, 276-283, 2016.
  22. Ebadi-Dehaghani H., Khonakdar H.A., Barikani M., and Jafari S.H., Experimental and Theoretical Analyses of Mechanical Properties of PP/PLA/Clay Nanocomposites, Composites, Part B, 69, 133-144, 2015.
  23. Perera K.Y., Hopkins M., Jaiswal A.K., and Jaiswal S., Nanoclays-Containing Bio-Based Packaging Materials: Properties, Applications, Safety, and Regulatory Issues, Nanostruct. Chem., 1-23, 2023.
  24. Rendas P., Figueiredo L., Geraldo M., Vidal C., and Soares B.A., Improvement of Tensile and Flexural Properties of 3D Printed PEEK through the Increase of Interfacial Adhesion,  Manufact. Process., 93, 260-274, 2023.
  25. Pang R., Lai M.K., Ismail K.I., and Yap T.C., The Effect of Printing Temperature on Bonding Quality and Tensile Properties of Fused Deposition Modelling 3D-Printed Parts, IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng., 1257, 012031, 2022.

 

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار