بررسي تاثير پارامترهاي فرآيند چاپ سه‌ بعدي لايه‌ نشاني مذاب بر رفتار تغيير شكل ساختارهاي چهار بعدي ساخته‌ شده با پلي‌ لاكتيك‌ اسيد

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

چاپ چهاربعدي، يك شاخه‌ي نسبتا نوظهور است كه از چاپ سه‌بعدي سرچشمه گرفته است. لايه‌نشاني مذاب، به عنوان يكي از مرسوم‌ترين فرايندهاي چاپ سه‌بعدي، به تازگي توجه بسياري از محققين را در حوزه چاپ چهاربعدي به خود جلب كرده است. هرچند، بسياري از جنبه‌هاي چاپ چهاربعدي با استفاده از فرايند لايه‌نشاني مذاب هنوز به خوبي درك و مطالعه نشده‌است. در اين مقاله تاثير پارامترهاي مختلف فرايند شامل پارامترهاي فعالسازي، چاپ و مواد بر روي انحناي نمونه‌هاي دولايه خودخم‌شونده مطالعه شده‌است. تمامي نمونه‌ها با استفاده از سه فيلامنت پلي‌لاكتيك‌اسيد متفاوت چاپ شده‌اند. مشاهده شد كه زمان و دماي فعالسازي، و همچنين سرعت چاپ تاثير به سزايي بر انحنا دارند. به‌طوريكه افزايش دما از 70 به 130 درجه سانتيگراد، باعث افزايش چهار برابري انحنا و افزايش سرعت چاپ از 30 به 120 ميليمتر بر ثانيه باعث افزايش دو برابري انحنا شد در حاليكه افزايش فاصله نازل از ميز چاپ از 0/1 به 0/25 ميليمتر منجر به كاهش 40 درصدي انحنا شد. به‌علاوه، رفتار تغييرشكل نمونه‌ها تا حد زيادي متاثر از نوع فيلامنت استفاده شده‌بود. نتايج حاكي از تفاوت 9 برابري ميزان انحناي ساختارهاي چاپ‌شده با استفاده از سه نوع مختلف فيلامنت بود. مشخصه‌يابي مواد فيلامنت‌ها تفاوت معناداري در خواص مكانيكي نشان نداد، اما اين تفاوت در خواص حرارتي و حرارتي-مكانيكي سه نوع فيلامنت مشاهده شد. باتوجه به نتايجي كه از آزمايش‌هاي گرماسنجي روبشي افتراقي و تحليل مكانيكي ديناميكي به دست آمد، اين تفاوت‌ها ناشي از وجود افزودني‌ها در هر نوع فيلامنت است. نتايج پژوهش حاضر كاربردهاي مهمي در طراحي فرايندهاي چاپ چهاربعدي با استفاده از چاپگرهاي سه‌بعدي لايه‌نشاني مذاب دارد.

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.