بررسي تاثير پارامترهاي چاپ سه‌بعدي بر روي بازيابي ‌شكلي خمشي در فرآيند چاپ چهاربعدي

Investigation of the Effect of 3D Printing Parameters on the Bending Shape Recovery in 4D Printing Process

چاپ چهاربعدي پديده‌اي نوظهور و توسعه‌يافته‌ از ساخت افزايشي است كه با چاپ سه‌بعدي قطعات حافظه‌دارشكلي به‌ دست مي‌آيد. با كنترل‌پذير نمودن فرآيند چاپ چهاربعدي، قطعات چاپ‌شده مي‌توانند بعد از اعمال محرك خارجي تغيير شكل مشخصي داشته باشند. در اين پژوهش به كمك شبيه‌سازي عددي، رابطه بين پيش‌تنش اعمالي در فرآيند چاپ بر ميزان بازيابي‌شكلي خمشي به‌ دست آمد. سپس اثر پارامترهاي ضخامت لايه، سرعت چاپ و قطر نازل در فرآيند لايه‌نشاني ذوبي بر ميزان پيش‌تنش اعمالي در قطعات چاپ‌شده از جنس پلي‌لاكتيك اسيد، بررسي شد. براي كاهش هزينه و زمان و همچنين بالا بردن اعتبار و دقت مدل تجربي، از طرح مركب مركزي كه يكي از روش‌هاي سطح پاسخ در طراحي آزمايش است، استفاده شد. به كمك انجام 17 آزمايش تجربي، مدلي بين پارامترهاي بيان‌شده و ميزان پيش‌تنش اعمالي در فرآيند چاپ سه‌بعدي به‌‌دست آمد. در ادامه كفايت مدل‌تجربي بررسي‌شده و همچنين R2 و Adj R2 مدل به ترتيب بالاتر از 0/99 و0/98 به‌‌دست آمد كه نشان‌دهنده دقت بالاي آن است. مدل‌تجربي ارائه‌شده نشان داد كه پارامترهاي اندازه‌‌لايه، قطر نازل و سرعت چاپ، به ترتيب بيشترين اثر بر پيش تنش اعمالي را دارند. همچنين پيش‌تنش اعمالي در فرآيند چاپ چهاربعدي رابطه معكوس با ضخامت لايه‌ها و قطر نازل و رابطه مستقيم با سرعت چاپ دارد. به‌منظور صحت‌سنجي مدل‌تجربي، در شرايط بيشترين ميزان بازيابي‌شكلي خمشي، شبيه‌سازي عددي و آزمايش تجربي انجام شد. نتايج نشان داد خطاي رابطه بين پيش‌تنش اعمالي و ميزان بازيابي شكلي، 1/5 درصد و مدل‌تجربي اثر پارامترهاي چاپ بر روي ميزان بازيابي‌شكلي كاملاً منطبق شده است.

4D printing is an emerging phenomenon of additive manufacturing that is achieved by the 3D printing of shape memory materials. The printed parts can change their shapes when exposed to an external stimulus by controlling the 4D printing process. In this study, a relationship between applied pre-stress in the printing process and the amount of bending shape recovery was obtained using numerical simulations. Then, the effect of printing parameters of fused deposition modeling, including layer thickness, printing speed, and nozzle diameter on the applied pre-stress in the printed polylactic acid parts was investigated. To reduce the cost and time as well as to increase the validity and accuracy, the central composite design method was used. Seventeen experimental tests were performed, and a model was obtained between the mentioned parameters and applied pre-stress. In the following, R2 and Adj R2 of the model was obtained above 0.99 and 0.98, respectively, which indicates the high accuracy of the model. The model showed that the layer height, nozzle diameter, and printing speed have a significant effect on the applied pre-stress. Also, the applied pre-stress is inversely related to the layer height and nozzle diameter and is directly related to the printing speed. Simulations were performed under the conditions of maximum bending shape recovery and compared with the experimental model. The results showed that the error of the relationship between applied pre-stress and amount of shape recovery is 1.5%, and the experimental model of printing parameter's effect on the shape recovery is completely matched.