بررسی خواص مکانیکی قطعات کامپوزیتی پلیمر ABS/الیاف کربن ساخته شده با فرایند FDM

STUDENT

DEGREE

YEAR

Fused deposition modeling (FDM) is one of the most popular Additive Manufacturing techniques that is widely used for fabricating thermoplastic parts. Due to the intrinsically limited mechanical properties of pure thermoplastic materials, there is a critical need to improve mechanical properties of FDM-fabricated components. One of the possible methods is adding reinforced materials (such as carbon fiber) into plastic materials to form carbon fiber reinforced plastic (CFRP) composites. In this research, the effect of carbon fiber content and FDM process parameters on improving mechanical properties of FDM-fabricated parts were investigated. The different CFRP feedstock filaments (including 5 wt%, 10 wt%, 15 wt% and 20 wt% carbon fiber) were fabricated from ABS polymer and carbon fiber powders by extrusion process. After FDM fabrication, the tensile properties (including tensile strength, Young's modulus, toughness, yield strength, and ductility) and flexural properties (including flexural stress, flexural modulus, and flexural toughness) of specimens were experimentally evaluated. The results shown that specimens with 10 wt% carbon fiber had the largest mean value of tensile and flexural strength whereas tensile and flexural modulus reached to the maximum value by adding 20 wt% carbon fiber to the polymer. In order to explore the tensile tests performance, the fracture surfaces of composite specimens after performing the tests, was observed and analyzed using SEM micrographs. It was seen that for all composite samples, not enough adhesion exists between fibers and polymer matrix. Also the effect of manufacturing processes including extrusion and FDM on fiber breakage were investigated. The results shown that the fiber length reduced to about 0.2 mm (initial length of fibers was 1 mm). In the final section, the Young's modulus of composite samples were predicted by the Halpin_tsai analytical model and compared with experimental results. It was shown that analytical results had higher values than experimental data. By considering the effects of fiber breakage (by subjecting the final fiber length in analytical equation) and fiber orientation (by fabricating samples that raster orientation was 0 ), the initial results difference were in half. Finally, according to the SEM images, it was concluded that an inadequate adhesion between fibers and matrix is the major reason for this disagreement Keywords: Additive Manufacturing, Fused deposition modeling, ABS Polymer, Carbon fiber, Composite feedstock filament, Halpin_tsai analytical model

فرایند‌های ساخت افزودنی از جمله جدیدترین‌های روش‌های ساخت قطعات هستند که در آن‌ها جسم، از کنار هم قرار گرفتن رشته‌ها و یه صورت لایه‌لایه ساخته می‌شود. این روش‌ها به دلیل قابلیت تولید قطعه با هر میزان پیچیدگی هندسی، بسیاری از محدودیت‌های روش‌های مرسوم ساخت را پوشش می‌دهند. فرایند FDM از جمله پرکاربردترین روش‌های ساخت افزودنی است که بر مبنای اکستروژن رشته پلیمری عمل می‌کند. خواص مکانیکی قطعات ساخته شده در این فرایند را می‌توان متاثر از دو دسته عامل دانست: 1) پارامترهای فرایند FDM 2) جنس ماده مورد استفاده برای ساخت قطعات. با توجه به اینکه پلیمرها مرسوم‌ترین ماده اولیه ساخت قطعه در این فرایند هستند، فارغ از اثر پارامترهای ساخت، خواص مکانیکی قطعات ساخته شده در محدوده خاصی قرار می‌گیرند. یکی از روش‌های ممکن برای افزایش خواص مکانیکی قطعات ساخته شده در این فرایند، افزودن تقویت‌کننده به ماده زمینه پلیمری و درواقع ساخت رشته کامپوزیتی است. در این پژوهش، پلیمر ABS و الیاف کربن برای ساخت رشته کامپوزیتی مناسب فرایند FDM انتخاب شدند. ساخت رشته کامپوزیتی به روش اکستروژن و با استفاده از یک اکسترودر دو مارپیچه ساعتگرد انجام شد و رشته کامپوزیتی با قطر 3 میلی‌متر برای ساخت قطعات در فرایند FDM به کار برده شد. به منظور بررسی اثر مقدار تقویت‌کننده بر خواص مکانیکی قطعات، رشته پلیمری و رشته‌های کامپوزیتی 5، 10، 15 و 20 درصد وزنی الیاف کربن ساخته شدند. سپس نمونه‌های آزمون کشش و خمش برای تمامی درصدهای وزنی کامپوزیت و نمونه پلیمری خالص، ساخته شده و خواص کششی و خمشی مختلف برای قطعات نهایی اندازه‌گیری شد. سپس به منظور بررسی صحت نتایج به دست آمده، نتایج تجربی با نتایج تحلیلی حاصل از مدل‌ میکرومکانیک هالپین_سای که برای پیش‌بینی خواص مکانیکی کامپوزیت‌های با الیاف کوتاه مناسب است، مقایسه شده و با استفاده از تصاویر SEM و تصاویر میکروسکوپی نمونه ‌های کامپوزیتی، دلایل اختلاف نتایج تحلیلی و تجربی بررسی شد. نتایج تجربی به دست آمده نشان داد که با افزودن الیاف کربن به مقدار 15 درصد وزنی، استحکام کششی، استحکام تسلیم نمونه کامپوزیتی بیشتر از پلیمر خالص است و در نمونه 20 درصد وزنی الیاف، این خواص نسبت به پلیمر خالص کاهش می‌یابد. دیده شد که مدول یانگ تمامی نمونه ‌های کامپوزیتی نسبت به پلیمر خالص بیشتر است. روند تغییرات ازدیاد طول به این صورت بود که با افزودن 5 درصد وزنی الیاف کربن به پلیمر، ازدیاد طول، نسبت به پلیمرافزایش یافته و سپس در درصدهای وزنی بالاتر کاهش می‌یابد. با بررسی چقرمگی نمونه‌های کامپوزیتی مختلف نیز دیده شد که با افزودن 10 درصد وزنی الیاف به پلیمر، افزایش و پس از آن کاهش چقرمگی وجود دارد. تغییرات خواص خمشی نمونه‌های مختلف کامپوزیتی نیز روندی مشابه خواص کششی را نشان داد. تصویر SEM سطح مقطع شکست نمونه‌های کششی مختلف نشان داد که جهت‌گیری ذرات الیاف کاملا در راستای رشته‌ها در هر لایه است و بر این اساس در فرایند FDM جهت‌گیری رشته‌ها بر اساس پارامتر زاویه رشته کاملا قابل کنترل است. همچنین این تصاویر نشان داد که توزیع ذرات الیاف در ماده زمینه از پراکندگی مناسبی برخوردار است. عامل چسبندگی ذرات الیاف به پلیمر نیز بر اساس تصاویر SEM بررسی شد و با توجه به تعداد زیاد حفره‌هایی با قطر الیاف در سطح مقطع شکست نمونه‌ها، نتیجه شد که چسبندگی الیاف به پلیمر در نمونه‌های کامپوزیتی ساخته شده در این پژوهش، مناسب نیست. شکستگی ذرات الیاف در کامپوزیت‌‌های با الیاف کوتاه موجب کاهش نسبت ابعاد و در نتیجه کاهش خواص مکانیکی کامپوزیت خواهد شد. وجود این عامل به کمک تصاویر میکروسکوپی نمونه‌های مختلف کامپوزیتی شامل رشته کامپوزیتی و نیز قطعات ساخته شده در فرایند FDM بررسی شد و دیده شد که خرد شدگی الیاف تا حدود کاهش طول یک-دهم وجود دارد. کلمات کلیدی: روش‌های ساخت افزودنی، فرایند FDM، پلیمر ABS، الیاف کربن، رشته کامپوزیتی، مدل هالپین_سای