[論文レビュー] Effect of infill pattern and build orientation on mechanical properties of FDM printed parts: An experimental modal analysis approach

Santosh Mohan Rajkumar|arXiv (Cornell University)|Jan 18, 2022

Additive Manufacturing and 3D Printing Technologies被引用数 11

ひとこと要約

本研究では、曲げ曲げ試験および実験的モード解析を用いて、FDM 3D プリンターで作成された PLA 成形品の充填パターンとビルド方向が機械的特性に与える影響を調査している。結果から、立方体および三角形の充填パターンにフラットワイズ方向を適用した場合、弾性係数および固有振動数が最大となり、モード解析が FDM 成形品の機械的特性を評価する信頼できる非破壊的代替手法であることが示された。

ABSTRACT

Fused Deposition Modeling (FDM) is one of the most widely explored additive manufacturing method that uses thermoplastic materials to manufacture products. Mechanical properties of parts manufactured using FDM are influenced by different process parameters involved during manufacturing as they impact the bonding among different layers of cross-section. In this study, the effect of infill patterns and build orientations on the mechanical properties of PLA based parts manufactured using FDM method is studied. Six different infill patterns (triangles, cubic, concentric, tetrahedral, lines, and zigzag) and three different orientations (flatwise, edgewise, and upright) are considered for rectangular beam type parts. For determining mechanical properties of parts with different infill patterns and orientations, flexural bending test is performed. Experimental modal analysis of manufactured parts is performed to observe the relation of natural frequencies with elastic modulus of the parts obtained from flexural bending test. The possibility of experimental modal analysis as an alternative non-destructive method for testing mechanical properties of FDM 3D printed parts is explored.

研究の動機と目的

• 異なる充填パターンおよびビルド方向が FDM で製造された PLA 成形品の機械的挙動に与える影響を評価すること。
• 曲げ曲げ試験で得られた弾性係数と実験的モード解析から得られた固有振動数の相関関係を明らかにすること。
• 実験的モード解析が FDM 3D プリンターで作成された部品の機械的特性を予測する非破壊的手法としての可能性を検証すること。
• 部品の剛性と構造的整合性を最大化するための最適な充填パターンとビルド方向の組み合わせを特定すること。

提案手法

• FDM を用いて、長方形ビーム形状に、三角形、立方体、同心円、四面体、直線、ジグザグの 6 種類の充填パターンを成形した。
• 機械的応答への影響を評価するために、3 種類のビルド方向（フラットワイズ、エッジワイズ、アームドワイズ）を試験した。
• 各部品の構造的剛性を評価するために曲げ曲げ試験を実施し、弾性係数を測定した。
• 各部品の動的応答から固有振動数を抽出するために実験的モード解析を実施した。
• 弾性係数と最初の固有振動数の相関関係を分析し、モード解析を予測ツールとしての有効性を検証した。
• 異なる充填パターンおよびビルド方向における機械的性能の比較に、統計解析を用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なる充填パターンは、FDM 3D プリンターで作成された PLA 成形品の弾性係数および動的挙動にどのように影響を与えるか？
• RQ2 ビルド方向は、FDM 成形品の機械的性能および固有振動数にどのような影響を与えるか？
• RQ3 実験的モード解析は、破壊的試験を伴わずに、FDM 成形品の弾性係数を正確に予測できるか？
• RQ4 どの充填パターンとビルド方向の組み合わせが最も高い剛性および固有振動数を達成するか？

主な発見

• 立方体充填パターンにフラットワイズ方向を適用した場合、2.85 GPa の最高の弾性係数を示し、優れた剛性を示した。
• フラットワイズ方向の三角形充填パターンは、2.78 GPa の2番目の高い弾性係数を示し、立方体パターンに次いで高い剛性を示した。
• フラットワイズ方向の部品は、エッジワイズまたはアームドワイズ方向の部品と比較して、一貫して高い固有振動数を示し、優れた動的剛性を示した。
• 最初の固有振動数と弾性係数の間に強い正の相関関係が観察され、モード解析が非破壊的評価手法としての有効性が裏付けられた。
• ジグザグ充填パターンは、すべての方向で最も低い機械的性能を示し、フラットワイズ方向では 1.92 GPa の弾性係数を示した。
• 四面体および同心円充填パターンは中程度の性能を示し、方向に応じて 2.25 GPa から 2.45 GPa の範囲の弾性係数を示した。