تحلیل سیگنال به نویز به‌منظور بررسی و بهینه‌سازی استحکام ضربه‌ای کامپوزیت پلیمری پلی‌آمید-الیاف کربن در روش چاپ سه‌بعدی

نوع مقاله : پژوهشی

نویسنده

کرمانشاه، دانشگاه صنعتی کرمانشاه، گروه مهندسی مکانیک، کدپستی 671568542

چکیده

فرضیه: کنترل دقیق پارامترهای فرایندی چاپ سه‌بعدی به بهبود کیفیت نهایی قطعات و کاهش احتمال نقص‌های تولیدی کمک می‌کند. بنابراین استفاده از تحلیل سیگنال به نویز روش تاگوچی می‌تواند برای کنترل و بهینه‌سازی شرایط فرایندی چاپ سه‌بعدی کامپوزیت پلیمری پلی‌آمید-الیاف کربن به‌منظور بهبود استحکام به ضربه استفاده شود.
روش‌ها: در این پژوهش، نمونه‌های کامپوزیت پلیمری پلی‌آمید-الیاف کربن با استفاده از فرایند چاپ سه‌بعدی (FFF) ساخته شدند. سه پارامتر فرایندی دما و سرعت چاپ و ارتفاع لایه به‌عنوان متغیرهای اصلی در نظر گرفته شدند و با بهره‌گیری از تحلیل سیگنال به نویز روش تاگوچی، اثر این پارامترها بر استحکام به ضربه نمونه‌ها بررسی و بهینه‌سازی شد.
یافته‌ها: نتایج نشان داد، دمای چاپ بیشتر موجب بهبود چسبندگی بین لایه‌ها و افزایش استحکام به ضربه می‌شود. با افزایش دمای چاپ از 220 درجه سلسیوس به 240 درجه سلسیوس، استحکام به ضربه از 52.91kJ/mol به 107.91kJ/molافزایش یافت که به معنی بهبود 103% در استحکام ضربه‌ای است. با افزایش سرعت چاپ از 20mm/s به 30mm/s، استحکام ضربه‌ای از 68.215kJ/m2 به 88.56kJ/m2    رسید که به معنی بهبود 30%است. ارتفاع لایه‌ 0.1mm بیشترین استحکام ضربه‌ای,94.92kJ/m2 را در پی داشت. با استفاده از روش تاگوچی، شرایط بهینه برای دستیابی به حداکثر استحکام به ضربه شناسایی شدند که شامل دمای چاپ 240 درجه سلسیوس، سرعت چاپ 30mm/s و ارتفاع لایه‌0.1mm بود. در این شرایط بهینه، استحکام ضربه‌ای نمونه‌های کامپوزیت پلیمری پلی‌آمید-الیاف کربن kJ/m2 108.15حاصل شد. این پژوهش با ارائه راهکارهای بهینه‌سازی موثر، به بهبود فرایندهایچاپ سه‌بعدی و توسعه مواد کامپوزیتی پیشرفته برای کاربردهای صنعتی کمک می‌کند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Signal-to-Noise Ratio Analysis for Evaluating and Optimizing the Impact Strength of Polyamide/Carbon Fiber Polymeric Composites in 3D Printing Process

نویسنده [English]

  • Rezgar Hasanzadeh
Department of Mechanical Engineering, Kermanshah University of Technology, Postal Cod: 671568542, Kermanshah, Iran
چکیده [English]

Hypothesis: Precise control of 3D printing process parameters helps improve the final quality of parts and reduce the likelihood of production defects. Therefore, using the signal-to-noise analysis of Taguchi method can be employed for controlling and optimizing the process conditions of 3D printing of polyamide/carbon fiber polymer composites to improve impact strength.
Methods: In this study, polymeric composite samples of polyamide/carbon fiber were fabricated using the fused filament fabrication (FFF) 3D printing process. Three processing parameters-printing temperature, printing speed, and layer height-were considered as the main variables, and their effects on the impact strength of the samples were investigated and optimized using the Taguchi method's signal-to-noise ratio analysis.
Findings: The results indicated that higher printing temperatures improved the adhesion between layers and increased the impact strength. By increasing the printing temperature from 220 ℃ to 240 ℃, the impact strength increased from 52.91 kJ/m2 to 107.19 kJ/m2, representing a 103% improvement in impact strength. By increasing the printing speed from 20 mm/s to 30 mm/s, the impact strength increased from 68.15 kJ/m2 to 88.56 kJ/m2, representing a 30% improvement. Finally, increasing the layer height up to a certain value led to a decrease in impact strength, followed by a subsequent increase. A layer height of 0.1 mm resulted in the highest impact strength of 94.92 kJ/m2. By analyzing the results and using the Taguchi method, the optimal conditions for achieving maximum impact strength were identified as a printing temperature of 240 ℃, a printing speed of 30 mm/s, and a layer height of 0.1 mm. Under these optimal conditions, the impact strength of the polyamide/carbon fiber polymer composite samples was 108.15 kJ/m2. This study provides effective optimization strategies to enhance 3D printing processes and develop advanced composite materials for industrial applications.

کلیدواژه‌ها [English]

  • 3D printing
  • Polymeric composite
  • Carbon fiber
  • Optimization
  • Taguchi