[논문 리뷰] 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)|2022. 01. 18.

Additive Manufacturing and 3D Printing Technologies인용 수 11

한 줄 요약

이 연구는 굴곡 bending 시험과 실험적 모드 분석을 통해 FDM 3D 프린팅된 PLA 부품의 기계적 성질에 미치는 인서트 패턴과 빌드 방향의 영향을 조사한다. 결과적으로, 평면 방향으로 배치된 삼각형 및 정육면체 인서트 패턴이 가장 높은 탄성 계수와 천연 주파수를 나타내어, 모드 분석이 FDM 부품의 기계적 성질 평가를 위한 신뢰할 수 있는 비파괴적 대안이 될 수 있음을 보여준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 다양한 인서트 패턴과 빌드 방향이 FDM 제작된 PLA 부품의 기계적 거동에 미치는 영향을 평가하기.
• 굴곡 시험에서 확보한 탄성 계수와 실험적 모드 분석에서 유도된 천연 주파수 간의 상관관계를 규명하기.
• 실험적 모드 분석이 FDM 3D 프린팅 부품의 기계적 성질을 예측하기 위한 비파괴적 방법으로의 타당성을 평가하기.
• 부품의 강성과 구조적 안정성을 극대화하기 위한 최적의 인서트 패턴과 빌드 방향 조합을 규명하기.

제안 방법

• FDM를 사용하여 사각형 보 형상으로 6종의 인서트 패턴—삼각형, 정육면체, 농도, 테트라헤드론, 선형, 자이즈그—을 제작하였다.
• 기계적 반응에 미치는 영향을 평가하기 위해 3가지 빌드 방향—평면, 모서리, 수직—을 시험하였다.
• 각 부품 구성의 탄성 계수를 결정하기 위해 굴곡 시험을 실시하였다.
• 각 부품의 동적 반응에서 천연 주파수를 추출하기 위해 실험적 모드 분 析을 수행하였다.
• 탄성 계수와 첫 번째 천연 주파수 간의 상관관계를 분석하여 모드 분석이 예측 도구로서의 타당성을 검증하였다.
• 다양한 인서트 패턴과 빌드 방향 간의 기계적 성능을 비교하기 위해 통계 분석을 실시하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 인서트 패턴은 FDM 3D 프린팅된 PLA 부품의 탄성 계수와 동적 거동에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 빌드 방향은 FDM 부품의 기계적 성능과 천연 주파수에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 실험적 모드 분 析는 파괴 시험 없이도 FDM 부품의 탄성 계수를 정확하게 예측할 수 있는가?
• RQ4 어느 인서트 패턴과 빌드 방향의 조합이 가장 높은 강성과 천연 주파수를 제공하는가?

주요 결과

• 정육면체 인서트 패턴이 평면 방향으로 제작된 경우 탄성 계수가 2.85 GPa로 가장 높아 우수한 강성을 나타내었다.
• 삼각형 인서트 패턴이 평면 방향으로 제작된 경우 탄성 계수가 2.78 GPa로 두 번째로 높았으며, 정육면체 패턴에 가까운 성능을 보였다.
• 평면 방향으로 제작된 부품은 항상 모서리나 수직 방향보다 더 높은 천연 주파수를 나타내어 동적 강성이 뛰어나다는 것을 시사했다.
• 첫 번째 천연 주파수와 탄성 계수 사이에 강한 정적 상관관계가 관찰되어, 모드 분 析가 비파괴 평가 방법으로 사용될 수 있음을 뒷받침했다.
• 자이즈그 인서트 패턴은 모든 방향에서 가장 열악한 기계적 성능을 보였으며, 평면 방향에서 탄성 계수는 1.92 GPa였다.
• 테트라헤드론 및 농도 인서트 패턴은 중간 수준의 성능을 보였으며, 방향에 따라 탄성 계수는 2.25 GPa에서 2.45 GPa 사이에서 변동하였다.