Experimental and Numerical Investigation into Free Vibration of Delaminated 3D-Printed PLA Beams
پذیرفته شده برای ارائه شفاهی ، صفحه 1-7 (7) XML اصل مقاله (513.08 K)
نویسندگان
1گروه مهندسی هوافضا، دانشگاه متروپولیتن تورنتو (رایرسون)
2Department of Aerospace Engineering, Toronto Metropolitan University (formerly Ryerson U.)
چکیده
پلی لاکتیک اسید (PLA)، یک پلیمر ترموپلاستیک همه کاره و یکی از دوستدار محیط زیست است که به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفته و به عنوان ماده اولیه برای چاپ سه بعدی و ساخت عناصر مورد استفاده در زمینه های مختلف مانند مراقبت های بهداشتی، نساجی، بسته بندی، زیستی، دستگاه های پزشکی، همچنین در مواد بیو کامپوزیت استفاده می شود. تحقیقات برای کاربرد کم هزینه PLA در صنعت هوافضا در حال انجام است. با رشد تصاعدی کاربردهای پرینت سه بعدی، مشخص کردن خصوصیات رشته های مورد استفاده به عنوان مواد اولیه و قطعات چاپ شده برای تعیین کیفیت، کنترل فرآیندهای تولید و پیش بینی مدل دقیق عملکرد فرآیند و محصول ضروری است.

در این پروژه تحقیقاتی، تجزیه و تحلیل ارتعاش خمشی و آنالیز نمونه‌های PLA چاپ شده با چاپ سه بعدی انجام خواهد شد. آنالیزهای ارتعاش آزاد عددی، تجربی و مبتنی بر FEM از نمونه‌های PLA پرینت سه بعدی معیوب ارائه شده‌اند. آزمایش, دستگاه آزمایشی و نمونه های PLA به طور خلاصه مورد بحث قرار می گیرند. نتایج فرکانس بنیادی آزمایشی برای نمونه‌های معیوب PLA ارزیابی می‌شوند و متوسط ​​فرکانس‌های خمشی (خمشی) بنیادی گزارش می‌شوند. این عیب به صورت لایه لایه شدگی (delamination) تک، متقارن، در عرض، در مرکز قرار گرفته و با ضخامت های مختلف در نظر گرفته می شود که یک سوم طول نمونه های تیر را پوشش می دهد. مقادیر متوسط ​​فرکانس بر اساس سه آزمایش مختلف محاسبه می‌شوند که برای اطمینان از صحت نتایج به‌دست‌آمده انجام شده‌اند.

نتایج عددی، از جمله فرکانس‌های اساسی و شکل‌های حالت متناظر، به‌دست‌آمده از طریق شبیه‌سازی انجام شده با استفاده از نرم‌افزار تحلیل المان محدود (FEA) (Femap با NX Nastran) نیز گزارش و مورد بحث قرار گرفته‌اند. مقایسه بین نتایج عددی (FEM) و تجربی انجام شده است. مشاهده می شود که فرکانس طبیعی برای لایه لایه شدگی (delamination) با ضخامت کوچک (به عنوان مثال 0.1 میلی متر) کاهش می یابد که با کاهش سختی خمشی همراه است در حالی که جرم تقریباً بدون تغییر باقی می ماند. با این حال، هنگامی که ضخامت لایه لایه شدگی بیشتر افزایش می یابد، فرکانس طبیعی سیستم افزایش می یابد. این را می توان با این واقعیت توضیح داد که در حالی که، در این مورد، سختی خمشی و جرم سیستم هر دو کاهش می یابد، و دومی به طور قابل توجهی نسبت به اولی کاهش می یابد. در نتیجه، فرکانس طبیعی سیستم با افزایش ضخامت لایه لایه افزایش می یابد.
کلیدواژه ها
 
Title
Experimental and Numerical Investigation into Free Vibration of Delaminated 3D-Printed PLA Beams
Authors
Seyed M. Hashemi, Karankumar Pandya
Abstract
The biodegradable Polylactic acid (PLA), is a versatile thermoplastic polymer and one of the most eco-friendly materials widely adopted and used as the feedstock for 3D printing and manufacturing of elements used in various fields such as healthcare, textile, packaging, bio-medical devices, to name a few. PLA is also used in bio-composite materials. Research is being made for the low-cost application of PLA in the aerospace industry. With the exponential growth of 3D printing applications, characterization of the filaments, used as the feedstocks, and the printed parts is essential for determining quality, controlling manufacturing processes, and making accurate model predictions of process and product performance. In this research project, the flexural vibration analysis and con-tact analysis of the 3D-printed PLA beam specimens will be conducted.
Experimental and FEM-based numerical free vibration analyses of defective 3D-printed PLA cantilever beam specimens are presented. The experimental setup and PLA specimens are briefly discussed. Experimental fundamental frequency results for defective, cantilevered, PLA beam specimens are evaluated, and average fundamental flexural (bending) frequencies are reported. The defect is considered to be a single, symmetric, through-the-width, centrally located, delamination of various thicknesses, covering one-third of the beam specimens’ length. The average frequency values are calculated based on three different trials, conducted to ensure the accuracy of the obtained results.
Numerical results, including fundamental frequencies and corresponding mode shapes, obtained through simulations carried out using Finite Element Analysis (FEA) Software (Femap with NX Nastran) are also reported and discussed. The comparison is made between the numerical (FEM) and experimental results. It is observed that the natural frequency drops for a small-thickness delamination (e.g., 0.1 mm), associated with the reduction in the flexural rigidity of the beam while the mass remains virtually unchanged. However, when the delamination thickness is further increased, the system natural frequency increases. This can be explained by the fact that while, in this case, the system’s flexural rigidity and mass both lessen, with latter decreasing more significantly than the former. As a result, the system’s natural frequency increases with growing delamination thickness.
Keywords
3D-printed components, flexural vibration, PLA, Modal Analysis, FEM