[论文解读] 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 11

一句话总结

本研究通过弯曲弯曲测试和实验模态分析，调查了填充图案和成型方向对FDM 3D打印PLA零件机械性能的影响。结果表明，立方体和三角形填充图案配合平放方向的试样具有最高的弹性模量和固有频率，表明模态分析可作为评估FDM零件机械性能的可靠无损替代方法。

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.

研究动机与目标

• 评估不同填充图案和成型方向对FDM制造PLA零件机械行为的影响。
• 将实验模态分析获得的固有频率与弯曲弯曲测试所得弹性模量进行关联。
• 评估实验模态分析作为无损方法预测FDM 3D打印零部件机械性能的可行性。
• 识别填充图案与成型方向的最佳组合，以最大化零件刚度和结构完整性。

提出的方法

• 使用FDM工艺和PLA材料，以矩形梁几何形状制造了六种填充图案——三角形、立方体、同心圆、四面体、直线和之字形。
• 测试了三种成型方向——平放、侧放和直立，以评估其对机械响应的影响。
• 进行弯曲弯曲测试，以确定每种零件配置的弹性模量。
• 进行实验模态分析，以从每种零件的动态响应中提取固有频率。
• 分析弹性模量与第一阶固有频率之间的相关性，以验证模态分析作为预测工具的有效性。
• 采用统计分析比较不同填充图案和成型方向下的机械性能表现。

实验结果

研究问题

• RQ1 不同填充图案如何影响FDM 3D打印PLA零件的弹性模量和动态行为？
• RQ2 成型方向对FDM零件的机械性能和固有频率有何影响？
• RQ3 实验模态分析能否在无需破坏性测试的情况下准确预测FDM零件的弹性模量？
• RQ4 哪种填充图案与成型方向的组合可获得最高的刚度和固有频率？

主要发现

• 立方体填充图案配合平放方向的试样获得了最高的弹性模量2.85 GPa，表明其具有优异的刚度。
• 三角形填充图案在平放方向下表现出第二高的弹性模量2.78 GPa，紧随其后的是立方体图案。
• 平放方向的试样始终表现出高于侧放或直立方向的固有频率，表明其具有更好的动态刚度。
• 第一阶固有频率与弹性模量之间存在显著正相关关系，支持将模态分析作为无损评估方法的使用。
• 之字形填充图案在所有方向中表现出最低的机械性能，其在平放方向下的弹性模量为1.92 GPa。
• 四面体和同心圆填充图案表现出中等性能，其弹性模量范围在2.25 GPa至2.45 GPa之间，具体取决于成型方向。