Dự đoán sai sót và ứng suất dư trong phần tử hữu hạn của biocomposite gỗ/PLA được in 3D bằng FDM

The International Journal of Advanced Manufacturing Technology - Tập 129 Số 5-6 - Trang 2281-2293 - 2023
Alexandra Morvayová1, Nicola Contuzzi1, Giuseppe Casalino1
1Dipartimento Di Meccanica, Matematica E Management, Polytechnic University of Bari, Bari, Italy

Tóm tắt

Tóm tắtSự hào hứng từ cộng đồng nghiên cứu đối với việc tận dụng các biocomposite dựa trên PLA trong mô hình hóa lắng đọng nóng chảy (FDM) được kích thích bởi nhu cầu ngày càng tăng về các vật liệu bền vững với môi trường và có khả năng kinh tế cho nhiều ứng dụng khác nhau. Mặc dù đã có những tiến bộ đáng kể trong việc giải mã các mối quan hệ giữa quy trình - cấu trúc - thuộc tính, những sự phụ thuộc phức tạp trong bối cảnh này vẫn chưa được giải thích hoàn toàn. Lỗ hổng kiến thức hiện tại này gây ra những trở ngại lớn cho việc đạt được chất lượng và độ chính xác kích thước tối ưu trong các mẫu được chế tạo bằng FDM từ biocomposite. Mặc dù đã có nhiều mô hình số để mô phỏng quy trình FDM, nhưng vẫn còn một nhu cầu rõ ràng dành cho các mô hình được thiết kế riêng để phù hợp với những đặc điểm đặc thù của biocomposite. Như một phản ứng cho những nhu cầu cấp thiết này, nghiên cứu này trình bày một mô hình số học nhiệt cơ 3D liên kết nhằm dự đoán kích thước, sự hình thành khuyết tật, ứng suất dư và nhiệt độ trong các khối PLA/gỗ được sản xuất bằng FDM, xem xét các tham số quy trình khác nhau và bản chất giống composite của các sợi PLA có chứa gỗ. Độ chính xác của mô hình số được đề xuất đã được xác thực bằng cách so sánh kết quả của nó với các phép đo thực nghiệm của các khối biocomposite được sản xuất dưới cùng một tham số quy trình. Đáng khích lệ, các kích thước mô phỏng cho thấy sai số tương đối tối đa là 9.52% khi so sánh với dữ liệu thực nghiệm, chỉ ra sự đồng nhất tốt. Mô hình số cũng đã thành công trong việc ghi nhận sự hình thành khuyết tật trong các khối đã được sản xuất, cho thấy sự tương ứng nhất quán với các khuyết tật quan sát được trong các mẫu thực nghiệm. Do đó, mô hình được trình bày nhằm mục đích đóng góp đáng kể vào sự tiến bộ trong lĩnh vực sản xuất gia tăng của các biocomposite dựa trên PLA.

Từ khóa


Tài liệu tham khảo

Scaffaro R, Maio A, Gulino EF, Alaimo G, Morreale M (2021) Green composites based on PLA and agricultural or marine waste prepared by FDM. Polymers 13:1361. https://doi.org/10.3390/polym13091361

Bhagia S, Bornani K, Agrawal R, Satlewal A, Ďurkovič J, Lagaňa R, Bhagia M, Yoo CG, Zhao X, Kunc V, Pu Y, Ozcan S, Ragauskas AJ (2021) Critical review of FDM 3D printing of PLA biocomposites filled with biomass resources, characterization, biodegradability, upcycling and opportunities for biorefineries. Appl Mater Today 24:101078. https://doi.org/10.1016/j.apmt.2021.101078

Günaydın A, Yıldız A, Kaya N (2022) Multi-objective optimization of build orientation considering support structure volume and build time in laser powder bed fusion. Materials Testing 64(3):323–338. https://doi.org/10.1515/mt-2021-2075

Arrigo R, Frache A (2022) FDM printability of PLA based-materials: the key role of the rheological behavior. Polymers 14(9):1754. https://doi.org/10.3390/polym14091754

Kopar M, Yildiz A (2023) Composite disc optimization using hunger games search optimization algorithm. Materials Testing 65(8):1222–1229. https://doi.org/10.1515/mt-2023-0067

Mazur KE, Borucka A, Kaczor P et al (2022) Mechanical, Thermal and microstructural characteristic of 3D printed polylactide composites with natural fibers: wood, bamboo and cork. J Polym Environ 30:2341–2354. https://doi.org/10.1007/s10924-021-02356-3

Sztorch B, Brząkalski D, Pakuła D, Frydrych M, Špitalský Z, Przekop RE (2022) Natural and synthetic polymer fillers for applications in 3D printing—FDM technology area. Solids 3(3):508–548. https://doi.org/10.3390/solids3030034

Vidakis N, Petousis M, Velidakis E, Tzounis L, Mountakis N, Kechagias J, Grammatikos S (2021) Optimization of the filler concentration on fused filament fabrication 3D printed polypropylene with titanium dioxide nanocomposites. Materials (Basel, Switzerland) 14(11):3076. https://doi.org/10.3390/ma14113076

Brounstein Z, Yeager CM, Labouriau A (2021) Development of antimicrobial PLA composites for fused filament fabrication. Polymers 13(4):580. https://doi.org/10.3390/polym13040580

Malafeev KV, Moskalyuk OA, Kamalov AM et al (2023) Formation and stability of the conducting cluster in the composite filaments based on polylactide and carbon nanofibers. Polym Compos 44(9):5804–5818. https://doi.org/10.1002/pc.27528

Yang H, Zhang S (2018) Numerical simulation of temperature field and stress field in fused deposition modeling. J Mech Sci Technol 32:3337–3344. https://doi.org/10.1007/s12206-018-0636-4

Scapin M, Peroni L (2021) Numerical simulations of components produced by fused deposition 3D printing. Materials 14:4625. https://doi.org/10.3390/ma14164625

Comminal R, Serdeczny MP, Pedersen DB, Spangenberg J (2018) Numerical modeling of the strand deposition flow in extrusion-based additive manufacturing. Addit Manuf 20:68–76. https://doi.org/10.1016/j.addma.2017.12.013

Das AK, Agar DA, Thyrel M, Rudolfsson M (2022) Wood powder characteristics of green milling with the multi-blade shaft mill. Powder Technol 407:117664

Chinesta F, Leygue A, Bognet B et al (2014) First steps towards an advanced simulation of composites manufacturing by automated tape placement. Int J Mater Form 7:81–92. https://doi.org/10.1007/s12289-012-1112-9

Volgin O, Shishkovsky I (2021) Material modelling of FDM printed PLA part. Eng Solid Mech 9(2):153–160. https://doi.org/10.5267/j.esm.2020.12.004

Bergström JS, Bischoff JE (2010) An advanced thermomechanical constitutive model for UHMWPE. Int J Struct Changes Solids 2(1):31–39

Luiz Ferreira RT, Amatte IC, Dutra TA, Bürger D (2017) Experimental characterization and micrography of 3D printed PLA and PLA reinforced with short carbon fibers. Compos B Eng 124:88–100. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2017.05.013

Pszczółkowski B, Nowak KW, Rejmer W, Bramowicz M, Dzadz Ł, Gałęcki R (2022) A comparative analysis of selected methods for determining Young’s modulus in polylactic acid samples manufactured with the FDM method. Materials 15(1):149. https://doi.org/10.3390/ma15010149

Nowak T, Patalas F, Karolak A (2021) Estimating mechanical properties of wood in existing structures—selected aspects. Materials 14(8):1941. https://doi.org/10.3390/ma14081941

Arriaga F, Wang X, Íñiguez-González G, Llana DF, Esteban M, Niemz P (2023) Mechanical properties of wood: a review. Forests 14(6):1202. https://doi.org/10.3390/f14061202

TenWolde A, McNatt JD, Krahn L (1988) Thermal properties of wood and wood panel products for use in buildings. Technical report. United States, US Department of Energy-Office of Scientific and Technical Information. https://doi.org/10.2172/6059532

Oksiuta Z, Jalbrzykowski M, Mystkowska J, Romanczuk E, Osiecki T (2020) Mechanical and Thermal Properties of Polylactide (PLA) Composites modified with Mg, Fe, and polyethylene (PE) additives. Polymers 12(12):2939. https://doi.org/10.3390/polym12122939

Rădulescu B, Mihalache AM, Hrițuc A, Rădulescu M, Slătineanu L, Munteanu A, Dodun O, Nagîț G (2022) Thermal expansion of plastics used for 3D printing. Polymers 14(15):3061. https://doi.org/10.3390/polym14153061

Baechle-Clayton M, Loos E, Taheri M, Taheri H (2022) Failures and flaws in fused deposition modeling (FDM) additively manufactured polymers and composites. Journal of Composites Science 6(7):202. https://doi.org/10.3390/jcs6070202

Valerga AP, Batista M, Salguero J, Girot F (2018) Influence of PLA filament conditions on characteristics of FDM parts. Materials (Basel, Switzerland) 11(8):1322. https://doi.org/10.3390/ma11081322

Saharudin MS, Hajnys J, Kozior T, Gogolewski D, Zmarzły P (2021) Quality of surface texture and mechanical properties of PLA and PA-based material reinforced with carbon fibers manufactured by FDM and CFF 3D printing technologies. Polymers 13(11):1671. https://doi.org/10.3390/polym13111671

De Kergariou CMY, Saidani-Scott H, Perriman AW, Scarpa F, Le Duigou A (2022) The influence of the humidity on the mechanical properties of 3D printed continuous flax fibre reinforced poly(lactic acid) composites. Compos A Appl Sci Manuf 155:106805. https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2022.106805

Ayrilmis N, Kariž M, Kuzman MK (2019) Effect of wood flour content on surface properties of 3D printed materials produced from wood flour/PLA filament. Int J Polym Anal Charact 24(7):659–666. https://doi.org/10.1080/1023666X.2019.1651547

Li H, Wang T, Li Q et al (2018) A quantitative investigation of distortion of polylactic acid/PLA) part in FDM from the point of interface residual stress. Int J Adv Manuf Technol 94:381–395. https://doi.org/10.1007/s00170-017-0820-1

Beltrán FR, Gaspar G, DadrasChomachayi M et al (2021) Influence of addition of organic fillers on the properties of mechanically recycled PLA. Environ Sci Pollut Res 28:24291–24304. https://doi.org/10.1007/s11356-020-08025-7

Hsueh MH, Lai CJ, Wang SH, Zeng YS, Hsieh CH, Pan CY, Huang WC (2021) Effect of printing parameters on the thermal and mechanical properties of 3D-printed PLA and PETG, using fused deposition modeling. Polymers 13(11):1758. https://doi.org/10.3390/polym13111758

Thumsorn S, Prasong W, Ishigami A, Kurose T, Kobayashi Y, Ito H (2023) Influence of ambient temperature and crystalline structure on fracture toughness and production of thermoplastic by enclosure fused deposition modeling. J Manufact Mater Process 7(2):68. https://doi.org/10.3390/jmmp7020068

Antony Samy A, Golbang A, Harkin-Jones E, Archer E, Dahale M, McAfee M, Abdi B, McIlhagger A (2022) Influence of raster pattern on residual stress and part distortion in FDM of semi-crystalline polymers: a simulation study. Polymers 14(13):2746. https://doi.org/10.3390/polym14132746

Barkhad MS, Abu-Jdayil B, Mourad AHI, Iqbal MZ (2020) Thermal insulation and mechanical properties of polylactic acid (PLA) at different processing conditions. Polymers 12(9):2091. https://doi.org/10.3390/polym12092091

Hou H, Yue Y, Liu J, Xi D, Liu S (2023) Numerical simulation and experimental study of the stress formation mechanism of FDM with different printing paths. J Renew Mater 11(1):273–289

Thông tin
Thông tin xuất bản

The International Journal of Advanced Manufacturing Technology

Tập 129 Số 5-6

2281-2293

Thông tin tác giả