بررسی تاثیر پارامترهای فرآیند چاپ سه‌بعدی لایه‌نشانی مذاب بر رفتار تغییرشکل ساختارهای چهاربعدی ساخته‌شده با پلی‌لاکتیک‌اسید

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده مهندسی مکانیک،دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

2 دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

چکیده

چاپ چهاربعدی، یک شاخه‌ی نسبتا نوظهور است که از چاپ سه‌بعدی سرچشمه گرفته است. لایه‌نشانی مذاب، به عنوان یکی از مرسوم‌ترین فرایندهای چاپ سه‌بعدی، به تازگی توجه بسیاری از محققین را در حوزه چاپ چهاربعدی به خود جلب کرده است. هرچند، بسیاری از جنبه‌های چاپ چهاربعدی با استفاده از فرایند لایه‌نشانی مذاب هنوز به خوبی درک و مطالعه نشده‌است. در این مقاله تاثیر پارامترهای مختلف فرایند شامل پارامترهای فعالسازی، چاپ و مواد بر روی انحنای نمونه‌های دولایه خودخم‌شونده مطالعه شده‌است. تمامی نمونه‌ها با استفاده از سه فیلامنت پلی‌لاکتیک‌اسید متفاوت چاپ شده‌اند. مشاهده شد که زمان و دمای فعالسازی، و همچنین سرعت چاپ تاثیر به سزایی بر انحنا دارند. به‌طوریکه افزایش دما از 70 به 130 درجه سانتیگراد، باعث افزایش چهار برابری انحنا و افزایش سرعت چاپ از 30 به 120 میلیمتر بر ثانیه باعث افزایش دو برابری انحنا شد در حالیکه افزایش فاصله نازل از میز چاپ از 1/0 به 25/0 میلیمتر منجر به کاهش 40 درصدی انحنا شد.  به‌علاوه، رفتار تغییرشکل نمونه‌ها تا حد زیادی متاثر از نوع فیلامنت استفاده شده‌بود. نتایج حاکی از تفاوت 9 برابری میزان انحنای ساختارهای چاپ‌شده با استفاده از سه نوع مختلف فیلامنت بود. مشخصه‌یابی مواد فیلامنت‌ها تفاوت معناداری در خواص مکانیکی نشان نداد، اما این تفاوت در خواص حرارتی و حرارتی-مکانیکی سه نوع فیلامنت مشاهده شد. باتوجه به نتایجی که از آزمایش‌های گرماسنجی روبشی افتراقی و تحلیل مکانیکی دینامیکی به دست آمد، این تفاوت‌ها ناشی از وجود افزودنی‌ها در هر نوع فیلامنت است. نتایج پژوهش حاضر کاربردهای مهمی در طراحی فرایندهای چاپ چهاربعدی با استفاده از چاپگرهای سه‌بعدی لایه‌نشانی مذاب دارد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Evaluating the effects of material extrusion 3D printing process parameters on shape-shifting of Poly-lactic acid 4D-printed structures

نویسندگان [English]

  • Iman Salimi Nezhad 1
  • mohammad golzar 2
  • amirhosein behravesh 2
1 mechanical engineering faculty, tarbiat modares university, tehran, iran
2 mechanical engineering faculty, tarbiat modares university, tehran, iran
چکیده [English]

4D printing is a relatively new branch of 3D printing. Material extrusion, as one of the most common 3D printing processes, has been recently receiving increasing attention within this area of research. There are, however, many aspects of material extrusion-based 4D printing processes that are not yet well understood. In this study, we investigated the effects of different processing parameters including the activation parameters, printing parameters, and material parameters on the curvature of self-folding bilayer specimens. All the specimens were printed using three different types of Poly-lactic acid filaments. We found that the activation time and activation temperature, as well as the printing speed, have significant effects on the resulting curvature. Moreover, the shape-shifting behavior of the specimens depended to a great extent on the type of Poly-lactic acid filament used for their printing. Characterization of the filament materials showed no significant difference in terms of mechanical properties. However, considerable differences in thermal and thermomechanical properties of the different types of filaments were observed. According to the results of differential scanning calorimetry and dynamic mechanical analysis, the differences between the different types of filaments could be traced back to their compositions including the amounts and types of additives. The results of the current study have important implications for the design of material extrusion-based 4D printing processes.

کلیدواژه‌ها [English]

  • 4D printing
  • Material extrusion
  • SMP
  • shape-shifting
  • Poly-lactic acid
[1]         S. Tibbits, The emergence of ‘4D printing,’ in TED conference, (2013).
[2]         S. Tibbits, 4D printing: Multi-material shape change, Archit. Des., 84)1( (2014) 116–121.
[3]         Y. Zhang et al., Printing, folding and assembly methods for forming 3D mesostructures in advanced materials, Nat. Rev. Mater., 2(4) (2017).
[4]         Y. Y. C. Choong, S. Maleksaeedi, H. Eng, J. Wei, and P. C. Su, 4D printing of high performance shape memory polymer using stereolithography, Mater. Des., 126(5) (2017) 219–225.
[5]         A. I. Egunov, J. G. Korvinkb, and V. A. Luchnikov, Polydimethylsiloxane bilayer films with an embedded spontaneous curvature, Soft Matter, 12(2) (2016) 45–52.
[6]         A. Sydney Gladman, E. A. Matsumoto, R. G. Nuzzo, L. Mahadevan, and J. A. Lewis, Biomimetic 4D printing, Nat. Mater. 15(4) (2016) 413–418.
[7]         Z. Zhao, J. Wu, X. Mu, H. Chen, H. J. Qi, and D. Fang, Desolvation Induced Origami of Photocurable Polymers by Digit Light Processing, Macromol. Rapid Commun. 38(13) (2017) 1–6.
[8]         Y. Liu et al., Programmable responsive shaping behavior induced by visible multi-dimensional gradients of magnetic nanoparticles, Soft Matter, 8(3) (2012) 3295–3299.
[9]         T. van Manen, S. Janbaz, and A. A. Zadpoor, Programming the shape-shifting of flat soft matter, Mater. Today, vol. 21(2) (2018) 144–163.
[10]       A. Mitchell, U. Lafont, M. Ho, and C. Semprimoschnig, Additive manufacturing — A review of 4D printing and future applications, Addit. Manuf., 24 (2018) 606–626.
[11]       L. Sun et al., stimulus-responsive shape memory materials: a review, Mater. Des., 33 (2012) 577–640.
[12]       J. E. M. Teoh, J. An, X. Feng, Y. Zhao, C. K. Chua, and Y. Liu, Design and 4D printing of cross-folded origami structures: A preliminary investigation, Materials (Basel)., 11(3) (2018).
[13]       Z. Ding, C. Yuan, X. Peng, T. Wang, H. J. Qi, and M. L. Dunn, Direct 4D printing via active composite materials, Sci. Adv., 3(4) (2017).
[14]       J. Wu et al., Multi-shape active composites by 3D printing of digital shape memory polymers., Sci. Rep., 6(3) (2016) 22-34.
[15]       Y. Mao, K. Yu, M. S. Isakov, J. Wu, M. L. Dunn, and H. Jerry Qi, Sequential Self-Folding Structures by 3D Printed Digital Shape Memory Polymers, Sci. Rep., 5(1) (2015) 13-19.
[16]       H. Wei, Q. Zhang, Y. Yao, L. Liu, Y. Liu, and J. Leng, Direct-write fabrication of 4D active shape-changing structures based on a shape memory polymer and its nanocomposite, ACS Appl. Mater. Interfaces, 9(1) (2017) 876–883.
[17]       Q. Ge, A. H. Sakhaei, H. Lee, C. K. Dunn, N. X. Fang, and M. L. Dunn, Multimaterial 4D Printing with Tailorable Shape Memory Polymers, Sci. Rep. 6(1) (2016)11-21.
[18]       D. Kokkinis, M. Schaffner, and A. R. Studart, Multimaterial magnetically assisted 3D printing of composite materials, Nat. Commun., 6 (2015) 8643.
[19]       S. Naficy, R. Gately, R. Gorkin, H. Xin, and G. M. Spinks, 4D Printing of Reversible Shape Morphing Hydrogel Structures, Macromol. Mater. Eng., 302(1) (2017) 1–9.
[20]       S. E. Bakarich, R. G. Iii, and G. M. Spinks, 4D Printing with Mechanically Robust , Thermally Actuating Hydrogels, Macromol. Rapid Commun.,  2(3) (2015) 1–7.
[21]       S. K. Leist, D. Gao, R. Chiou, and J. Zhou, Investigating the shape memory properties of 4D printed polylactic acid (PLA) and the concept of 4D printing onto nylon fabrics for the creation of smart textiles, Virtual Phys. Prototyp., 12(4) (2017) 290–300.
[22]       D. Schmelzeisen, H. Koch, C. Pastore, and T. Gries, 4D Textiles: Hybrid Textile Structures that Can Change Structural Form with Time by 3D Printing, Narrow Smart Text., (2018) 189–201.
[23]       W. Wang, C. Yuk, P. Antonio, A. Serrano, and S. Ahn, Soft grasping mechanisms composed of shape memory polymer based self- bending units, Compos. Part B, 164(6) (2019) 198–204.
[24]       W. Zhang et al., Shape memory behavior and recovery force of 4D printed textile functional composites, Compos. Sci. Technol., vol. 160(3) (2018) 224–230, 2018.
[25]       G. F. Hu, A. R. Damanpack, M. Bodaghi, and W. H. Liao, Increasing dimension of structures by 4D printing shape memory polymers via fused deposition modeling, Smart Mater. Struct., 26(12) (2017).
[26]       M. Bodaghi, A. Serjouei, A. Zolfagharian, M. Fotouhi, H. Rahman, and D. Durand, Reversible energy absorbing meta-sandwiches by FDM 4D printing, Int. J. Mech. Sci., 173 (2020) 145-158.
[27]       T. Liu, L. Liu, C. Zeng, Y. Liu, and J. Leng, 4D printed anisotropic structures with tailored mechanical behaviors and shape memory effects, Compos. Sci. Technol., 186 (2020) 107935.
[28]       R. Mitkus, Influence of fused deposition modeling process parameters on the transformation of 4D printed morphing structures, Smart Mater. Struct., 28 (2019).
[29]       Q. Zhang, K. Zhang, and G. Hu, Smart three-dimensional lightweight structure triggered from a thin composite sheet via 3D printing technique., Sci. Rep., 6 (2016) 22431.
[30]       S. T. Ly and J. Y. Kim, 4D printing – fused deposition modeling printing with thermal-responsive shape memory polymers, Int. J. Precis. Eng. Manuf. - Green Technol., 4(3) (2017) 267–272.
[31]       J. E. M. Teoh, Y. Zhao, J. An, C. K. Chua, and Y. Liu, Multi-stage Responsive 4D Printed Smart Structure through Varying Geometric Thickness of Shape Memory Polymer, Smart Mater. Struct., 26(12) (2017).
[32]       Y. Yang, Y. Chen, Y. Wei, and Y. Li, “3D printing of shape memory polymer for functional part fabrication,” Int. J. Adv. Manuf. Technol., 84(12) (2016) 2079–2095.
[33]       T. van Manen, S. Janbaz, and A. A. Zadpoor, Programming 2D/3D shape-shifting with hobbyist 3D printers, Mater. Horiz., 4 (2017) 1064-1069.
[34]       F. Momeni, S. M.Mehdi Hassani.N, X. Liu, and J. Ni, A review of 4D printing, Mater. Des., 122 (2017) 42–79.
[35]       ASTM D 638 -02a, Standard test method for tensile properties of plastics, (2003).
[36]       C. A. Murphy and M. N. Collins, Microcrystalline Cellulose Reinforced Polylactic Acid Biocomposite Filaments for 3D Printing, Polym. Compos., (2016) 1–10.
[37]   M. Matos et al, Evaluation of commercially available polylactic acid (PLA) filaments for 3D printing   applications, Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, (2019) 555-562.