تشخيص نوع ناهمسانگردي و تعيين ضرايب تانسور سفتي قطعات ساخت افزايشي پليمري با استفاده از امواج فراصوتي

Determination of the type of anisotropy and stiffness tensor in additive manufacturing polymer components by using ultrasonic waves

در كاربردهاي پزشكي و صنعتي اطلاع از خواص مكانيكي قطعات از اهميت بالايي برخوردار است. يكي از موثرترين روش‌ها براي اندازه‌گيري خواص الاستيك قطعات روش آزمون غيرمخرب فراصوتي است. در اين مقاله، اندازه‌گيري خواص الاستيك قطعاتي كه با فرايند ساخت افزايشي ذوب رسوبي ساخته‌شده‌اند، با استفاده از آزمون فراصوتي انجام خواهد شد. بدين منظور قطعه‌اي با هندسه‌اي خاص از جنس پليمر PLA به روش ساخت رشتۀ رسوبي (FFF) ساخته مي‌شود و سرعت موج در جهت‌هاي مختلف اين قطعه اندازه‌گيري مي‌شود. با فرض اينكه نوع ناهمسانگردي در اين قطعه ساختار اورتوتروپيك با نه ثابت الاستيك است، ضرايب الاستيك قطعه بر اساس سرعت‌هاي اندازه‌گيري‌شده محاسبه مي‌شود. سپس با وارون‌سازي تانسور الاستيك، ضرايب الاستيك مهندسي از جمله مدول يانگ، نسبت پواسون و مدول برشي قطعه نيز به‌دست مي‌آيند. با بررسي دقيق ضرايب الاستيك اندازه‌گيري معلوم شد كه نوع ناهمسانگردي ساده‌تر از ساختار اورتوتروپيك است و بدين‌ جهت ناهمسانگردي شش‌وجهي (همسانگردي عرضي) با پنج ثابت الاستيك روي آن بررسي شد. نتايج نشان داد كه ناهمسانگردي قطعه ساختار شش‌وجهي است. آزمون كشش نيز روي نمونه‌هايي از اين ماده در جهت‌هاي مختلف انجام و نتايج آن با نتايج آزمون فراصوتي مقايسه و نشان داد كه نتايج آزمون‌هاي فراصوتي و كشش تطابق دارند. براي تكميل بحث، خواص ديگر آكوستيكي قطعه، از جمله تضيعف و امپدانس صوتي نيز در جهت‌هاي مختلف اندازه‌گيري و ارزيابي شد. روش فراصوتي معرفي‌شده در اين مقاله مي‌تواند براي تعيين اندازه‌گيري خواص الاستيك قطعات ناهمسانگرد ساخت افزايشي به‌كار رود و تغييرات احتمالي به‌وجود آمده در خواص الاستيك اين قطعات را با دقت تشخيص دهد.

Mechanical properties of engineering components are of importance in medical and industrial applications. Ultrasonic nondestructive testing is one of the most effective methods for assessing the elastic properties of materials. The purpose of this paper is to evaluate the elastic properties of components made by fused filament fabrication (FFF) additive manufacturing process by using ultrasonic waves. This is accomplished by fabricating a test specimen with a predetermined geometry from PLA polymer by FFF process. The ultrasonic wave velocity is then measured in this test specimen along different directions. The elastic coefficients of the specimen are then calculated from the measured wave velocities by assuming orthotropic structure for the specimen. The engineering elastic coefficients, such as Young's modulus, Poisson's ratio, and shear modulus are also found by inversing the elastic tensor. Considering that some of the measured elastic constants of this material were almost identical, the hexagonal that was simpler than orthotropic. Based on the results, it can be concluded that the sample has hexagonal anisotropy. The tensile testing results obtained from tensile samples made from the same material were compared with ultrasonic test results and were in good agreement. Other acoustic properties of this material such as sound attenuation and acoustic impedance were also measured and discussed. It is concluded that the ultrasonic method is very efficient in measuring the elastic properties of polymer components manufactured by FFF process and can be used for determination of changes in elastic properties of the material due to variations in the process parameters.