Skip to main content
SUPERVISOR
Mohammad Mashayekhi,Mohsen Badrosamay,Ehsan Foroozmehr
محمد مشایخی (استاد راهنما) محسن بدرسمای (استاد راهنما) احسان فروزمهر (استاد مشاور)
 
STUDENT
Sara Iraji
سارا ایرجی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1391

TITLE

Three-Dimensional Finite Element Simulation and Experimental Analysis of FDM Process in Order to Control Residual Stress and Distortion of Products
Fused deposition modelling (FDM) is a layer-manufacturing technology that has been increasingly popular in last years. This increment can be explained due to their Ability in field of manufacturing in order to allow us to make any kind of geometry in a satisfactory time. This method is based on using heat extrusion of thermoplastics wire. The FDM process involves heat and mass transfer, rapid cooling, repetitive heating and cooling coupled with mechanical loading and phase changes and Parts are constructed by the sequential deposition of material layers. When the deposition process involves temperature gradients, thermal stresses will develop. Thus, parts made by FDM process deviate from the designed geometry. Most severe form inaccuracies such as curl and warping are attributed to the residual stress accumulations during prototype fabrications. During FDM process, the Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS) polymer experiencing multiple phases including solid, melting and re-solidification. The effect of temperature and time of loading on material properties is high because of the viscoelastic nature of the polymer material. In this thesis, the temperature distribution, residual stress and part distortion in fused deposition modeling (FDM) processes is studied, and the behavior of the material during the process is evaluated. In the transition temperature region, the behavior of thermoplastic polymers are viscoelastic materials. The viscoelastic parameters are obtained from static tensile test. The coefficient of bulk and shear modulus of ABS material are obtained by non-linear curve fitting in MATLAB software. A finite element analysis model using element activations has been developed to simulate the mechanical and thermal phenomena in FDM and further used for temperature distribution, residual stress and part distortion simulations. When the temperature distribution is calculated, the result is shared as the load to analysis the strain and stress distributions. The maximum residual stress was observed at the bottom surface of the part, which is in contact with the platform. The magnitude of the residual stresses increases as expected when the process continues. This resulted from the number of heating-cooling cycles, and the time interval between the cycles. The results obtained by finite element simulation are compared with the experimental reading of temperature and distortion. There was good agreement between the model predictions and the experimentally observed values of temperature and distortion. This correspondence shows that the model correctly describes the behavior of ABS materials and for a variety of thermoplastic polymers, can be generalize it. Keywords : Additive manufacturing, FDM, Viscoelastic, Prony Serious, Finite element simulation, Residual stress, Distortion
روش ساخت افزودنی FDM که براساس اکستروژن سیم های پلیمری با استفاده از حرارت استوار است، یکی از شناخته شده ترین و پرکاربردترین روش های ساخت افزودنی می باشد که از ماده ی اولیه جامد استفاده می کند. این روش به دلیل داشتن قابلیت برای ساخت قطعات پلاستیکی حتی با هندسه پیچیده در مدت زمان رضایت بخش، رتبه ی بی نظیری را در بازارهای دنیا به خود اختصاص داده است. اما با توجه به انتقال جرم و گرما، تغییرات فاز و بارگذاری‌های مکانیکی که به صورت همزمان وجود دارد و نیز با توجه به تکرار چرخه های گرم گشتن و خنک شدن در طول لایه‌نشانی رشته‌های اکسترود‌شده در فرآیند FDM تنش‌های حرارتی ایجاد می‌شودو قطعات ساخته شده به این روش از هندسه طراحی شده درمدل CAD فاصله می گیرند. بیشترین نقص ها در قطعات شامل تغییر شکل به صورت تاب برداشتن واعوجاج می باشد که به تجمع تنش پسماند در طول فرآیند نسبت داده می شود. در طول این فرآیند، پلیمر ABS نیز، فازهای گوناگونی را تجربه می کند؛ جامد، مذاب و دوباره جامد‌شدن. در این پژوهش، توزیع دمایی، اعوجاج و تنش پسماند در قطعات ساخته شده به روش FDM مورد‌مطالعه قرار گرفته‌است. همچنین رفتار ماده در طول فرآیند ارزیابی شده است. از آن جا که به علت طبیعت ویسکوالاستیک پلیمرها، تأثیر دما و زمان بر خواص آن‌ها در مقایسه با سایر مواد بسیار زیاد است خواص ویسکوالاستیک با استفاده از مدل سری پرونی تعریف شده و توسط داده های به دست‌آمده از آزمایش کشش، ضرایب سری پرونی، مدول الاستیسیته، مدول بالک و مدول برشی محاسبه گردیده‌است. همچنین با به کارگیری روش اجزای محدود از طریق تهیه‌ی یک کد پارامتریک به زبان APDL، در نرم افزار ANSYS به شبیه‌سازی این فرآیند توسط تابع تولد-مرگ پرداخته شده‌است و توزیع دمایی، اعوجاج و تنش پسماند در قطعات ساخته شده محاسبه گردیده‌است. پس از آن که توزیع دمایی استخراج شد، نتایج آن به عنوان ورودی برای محاسبه‌ی اعوجاج و تنش پسماند مورد استفاده قرار می‌گیرد. بیشترین تنش پسماند در سطح زیرین قطعه که در تماس با صفحه‌ی ساخت است مشاهده گردید. با ادامه یافتن لایه نشانی مقدار تنش پسماند در قطعه نیز بیشتر می‌شود. زیرا تعداد چرخه‌های گرمایش-خنک کاری و فاصله‌ی زمانی بین چرخه‌ها افزایش می‌یابد. اعتبار سنجی توزیع دمایی و اعوجاج مدل شبیه‌سازی‌شده با نتایج حاصل از آزمایشات تجربی مقایسه شده و مطابقت خوبی مشاهده گردید. این تطابق بیانگر آن است که مدل انتخاب شده رفتار ماده را به درستی بیان می کند. بنابراین، قابلیت تعمیم آن، برای انواع پلیمرهای ترموپلاستیک وجود دارد. از آن جا که اعوجاج قطعه ناشی از تجمع تنش پسماند می‌باشد، می‌توان از این مدل برای پیش‌بینی تنش پسماند استفاده نمود. کلمات کلیدی: روش‌های ساخت افزودنی، FDM، ویسکوالاستیک، شبیه سازی اجزای محدود، تنش پسماند، اعوجاج

ارتقاء امنیت وب با وف بومی