Numerical analysis of mechanical properties of an infill structure used in 3D printings

• Autorzy: Bobrowski K. , Wojnicz W. , Lipiński K.

Identyfikatory

DOI

10.15199/28.2018.1.3

Warianty tytułu

PL

Analiza numeryczna właściwości mechanicznych wypełnienia stosowanego w wydrukach 3D

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper presents results of a numerical analysis focused on an identification of mechanical properties of an element created using Fused Deposition Modelling additive manufacturing technique (FDM). There are presented a description of technology of the 3D printing, numerical model created by using finite element method (FEM), as well as some problems referred to estimation of the mechanical properties of the printout. The main point of the research was a study of relationship between properties of the rectangular infill structure (described in the micro scale) and the global values of selected mechanical properties of the part (described in macro scale). The numerical models of infill was created by applying the ABAQUS 6.12-1 software. The scope of the study involved tests performed in linear elastic limit of the material behaviour by applying uniaxial compressive load and two types of boundary conditions. Also, three alternative methods for identification of mechanical properties of the infill structures were presented. The results of the study of relationship between the density of infill structure and the Young’s modulus of the printout were presented and discussed.

PL

Drukowanie 3D to technologia używana do bezpośredniej konwersji modelu 3D powstałego przy użyciu technik projektowych CAD (z ang. computer aided design) do fizycznego modelu prototypu. Ze względu na wykorzystywanie różnych materiałów budulcowych oraz technologii nanoszenia wyróżniamy kilka metod drukowania przestrzennego: metoda stereolitografii (SLA), metoda osadzania topionego (FDM), selektywne spiekanie laserowe proszków (SLS) czy przyrostowe nanoszenie stopionego fotopolimeru akrylowego (MJM). Najbardziej powszechną oraz najtańszą formą wydruku zarówno pod względem kosztu zakupu drukarki jak i eksploatacji jest metoda FDM (Fused Deposition Modeling) Podstawowe właściwości mechaniczne wyrobów drukowanych 3D, takie jak granica plastyczności, wytrzymałość na ściskanie, wytrzymałość na rozciąganie są podawane zarówno przez producentów materiałów użytkowych, jak i przez producentów drukarek. Najczęściej prezentują one właściwości mechaniczne badanych materiałów tylko w jednym z możliwych kierunków orientacji materiału, najczęściej w tym o największym wskaźniku wytrzymałości. Co więcej, wydruk 3D powstały metodą przyrostową jest materiałem ortotropowym cechującym się silnym zróżnicowaniem właściwości mechanicznych w zależności od orientacji wydruku oraz parametrów wydruku. W konsekwencji parametry wydruku takie jak konfiguracja w przestrzeni, temperatura drukowania, prędkość wydruku oraz gęstość wypełnienia znacznie wpływają na właściwości materiałowe, a co za tym idzie na wytrzymałość całego wydruku. W pracy podjęto próbę wyznaczenia właściwości mechanicznych takich jak moduł Younga i współczynnik Poissona dla struktur wypełnienia wydruków 3D za pomocą symulacji komputerowych MES przy odwzorowaniu jednoosiowej próby ściskania oraz zaproponowano uproszczony model obliczeniowy wypełnienia, w którym struktura składająca się z pojedynczych włókien została zastąpiona bryłą o takich samych wymiarach zewnętrznych.

Słowa kluczowe

EN

rapid prototyping; 3D printing; FDM; Young modulus; FEM

PL

szybkie prototypowanie; wydruk 3D; FDM; moduł Younga; MES

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2018
• Tom: Vol. 39, nr 1
• Strony: 15--21
• Opis fizyczny: Bibliogr. 21 poz., fig., tab.

Twórcy

autor

Bobrowski K.

• Faculty of Mechanical Engineering, Gdańsk University of Technology, Gdańsk

autor

Wojnicz W.

• Faculty of Mechanical Engineering, Gdańsk University of Technology, Gdańsk

autor

Lipiński K.

• Faculty of Mechanical Engineering, Gdańsk University of Technology, Gdańsk

Bibliografia

• [1] Casavola C., Cazzato A., Moramarco V., Pappalettere C.: Orthotropic mechanical properties of fused deposition modelling parts described by classical laminate theory. Materials & Design 90 (2016) 453÷458.
• [2] Gosselin C., Duballet R., Roux Ph., Gaudillière N., Dirrenberger J., Morel Ph.: Large-scale 3D printing of ultra-high performance concrete — a new processing route for architects and builders. Materials & Design 100 (2016) 102÷109.
• [3] Mazio Ł.: Badania wytrzymałości na rozciąganie próbek wydrukowanych w technologii FDM z różną gęstością wypełnienia. Mechanik 7 (2015) 533÷538.
• [4] Szykiedans K., Credo W.: Mechanical properties of FDM and SLA lowcost 3-D prints. Procedia Engineering 136 (2016) 257÷262.
• [5] Dawoud M., Taha I., Ebeid S. J.: Mechanical behaviour of ABS: An experimental study using FDM and injection moulding techniques. Journal of Manufacturing Processes 21 (2016) 39÷45.
• [6] Pham D. T., Gault R. S.: A comparison of rapid prototyping technologies. International Journal of Machine Tools and Manufacture 38 (1998) 1257÷1287.
• [7] Mueller J., Shea K., Darao C.: Mechanical properties of parts fabricated with inkjet 3D printing through efficient experimental design. Materials & Design 86 (2015) 902÷912.
• [8] Torrado A. R., Shemelya C. M., English J. D., Lin Y., Wicker R. B., Roberson D. A.: Characterizing the effect of additives to ABS on the mechanical propertyanisotropy of specimens fabricated by material extrusion 3D printing. Additive Manufacturing 6 (2015) 16÷29.
• [9] Shaffer S., Yang K., Vargas J., Di Prima M. A., Voit W.: On reducing anisotropy in 3D printed polymers via ionizing radiation. Polymer 55 (2014) 5969÷5979.
• [10] German J.: W równania fizyczne dla kompozytów. W podstawy mechaniki materiałów włóknistych. Politechnika Krakowska, Kraków (2001).
• [11] Wojnicz W., Olszewski H., Wittbrodt E.: Chosen aspects of skeletal system modeling: Numerical solid and shell models of femur part. Shell Structures: Theory and Applications 3 (2014) 359÷362.
• [12] Cuan-Urquizo E., Yang S., Bhaskar A.: Mechanical characterisation of additively manufactured material having lattice microstructure. IOP Conference Series Materials Science and Engineering 74 (2015) 1÷8.
• [13] Martíneza J., Dièguez J. L., Ares E., Pereira A., Hernández P., Pèrez J. A.: Comparative between FEM models for FDM parts and their approach to a real mechanical behaviour. Proceda Engineering 63 (2013) 878÷884.
• [14] Naghieh S, Karamooz Ravari M. R., Badrossamay M., Foroozmehr E., Kadkhodaei M.: Numerical investigation of the mechanical properties of the additive manufactured bone scaffolds fabricated by FDM: The effect of layer penetration and post-heating. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials 59 (2016) 241÷250.
• [15] Błażejewski W., Czapliński T., Ziętek G.: Metoda homogenizacji w modelowaniu materiałów kompozytowych wzmocnionych włóknem ciągłym ułożonym według wzorów mozaikowych. Przetwórstwo tworzyw 6 (2012) 482÷488.
• [16] Domingo-Espin M., Puigoriol-Forcada J. M., Garcia-Granada A., Lluma J., Borros S., Reyes G.: Mechanical property characterization and simulation of fused deposition modeling polycarbonate parts. Matrials & Design 83 (2015) 670÷677.
• [17] Xingchen L., Vadim S.: Homogenization of material properties in additively manufactured. Computer-Aided Design 78 (2016) 71÷82.
• [18] Kovacik J.: Correlation between Young’s modulus and porosity in porous materials. Journal of Materials Science Letters 18 (1999) 1007÷1010.
• [19] Asadi-Eydivand M., Solati-Hashjin M., Farzad A., Azuan Abu Osman N.: Effect of technical parameters on porous structure and strength of 3D printed calcium sulfate prototypes. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing 37 (2016) 57÷67.
• [20] http://www.autodesk.pl.
• [21] ABAQUS: ABAQUS Documentation, Dassault Systemes (2016).

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2018).