Experimental Study on Mechanical Properties of Single- and - - PowerPoint PPT Presentation

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Experimental Study on Mechanical Properties of Single- and Dual-Material 3D Printed Products Heechang Kim, Eunju Park, Suhyun Kim, Bumsoo Park, Namhun Kim, Seungchul Lee*

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Experimental ¡Study ¡on ¡Mechanical ¡Properties ¡of ¡ Single-­‑ and ¡Dual-­‑Material ¡3D ¡Printed ¡Products

Heechang Kim, ¡Eunju Park, ¡Suhyun Kim, ¡Bumsoo Park, ¡Namhun Kim, ¡ Seungchul ¡Lee* ¡

06/06/2017

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Outline

  • Introduction
  • Motivation
  • Experiment

– Single ¡material – Dual ¡material

  • Structural ¡effect
  • Results ¡and ¡Discussion
  • Estimation ¡of ¡Maximum ¡Tensile ¡Stress
  • Conclusion

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Additive ¡Manufacturing ¡(AM)

  • Automated ¡systems ¡that ¡take ¡2D ¡layers ¡of ¡computer ¡data ¡and ¡

rebuild ¡them ¡into ¡3D ¡products

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Rapid ¡ Prototyping Aerospace Medical Tooling Lifestyle Automotive

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Fused ¡Deposition ¡Modeling ¡(FDM)

  • Advantages

– A ¡good ¡variety ¡of ¡materials ¡available – Easy ¡material ¡change – Low ¡maintenance ¡costs – Thin ¡parts ¡produced ¡fast

  • Dual ¡nozzles

– Multiple ¡material ¡printing

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Literature ¡Review

  • Letcher ¡et ¡al., ¡Material ¡property ¡testing ¡of ¡3D ¡printed ¡specimen ¡in ¡PLA ¡on ¡an ¡entry-­‑

level ¡3D ¡printer, ¡ASME ¡2014 ¡International ¡Mechanical ¡Engineering ¡Congress ¡& ¡ Exposition

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Literature ¡Review

  • Cantrell ¡et ¡al., ¡Experimental ¡Characterization ¡of ¡the ¡Mechanical ¡Properties ¡of ¡3D-­‑

Printed ¡ABS ¡and ¡Polycarbonate ¡Parts, ¡Advancement ¡of ¡Optical ¡Methods ¡in ¡ Experimental ¡Mechanics, ¡Volume ¡3, pp. ¡89-­‑105. ¡

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Motivation

  • Conventional ¡processing ¡vs. ¡AM

– The ¡mechanical ¡strength ¡is ¡relatively ¡weak

  • Structural ¡arrangement ¡for ¡mechanical ¡properties

– the ¡efficiency ¡can ¡be ¡enhanced ¡in ¡terms ¡of ¡mechanical ¡properties ¡even ¡ with ¡the ¡same ¡ratio ¡of ¡materials

  • Mechanical ¡properties ¡are ¡not ¡known ¡before ¡printing

– Only ¡time, ¡weight ¡and ¡required ¡filament ¡for ¡the ¡product ¡is ¡predicted ¡in ¡ current ¡commercial ¡software

  • Necessity of estimation ¡of ¡mechanical ¡properties

– Optimal ¡printing ¡conditions

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Experiment ¡Settings

  • Tensile ¡Strength ¡Test

– ASTM ¡D638

  • Factors

– Model: ¡Sprout ¡(Former’s ¡Farm) – Materials: ¡ABS ¡or ¡PLA – Filament ¡diameter: ¡1.75 ¡mm – Nozzle ¡diameter: ¡0.4 ¡mm

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Factors Description Orientation 1) ¡X-­‑axis direction 2) ¡45° Materials 1) ¡ABS 2) ¡PLA Infill ¡rate 1) ¡50% ¡infill 2) ¡100% ¡infill

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Results

9

No. Orientation Materials Infill ¡rate 1)

X

ABS 100% 2) X PLA

100%

3) X ABS

50%

4) X PLA

50%

5) 45 ABS 100% 6) 45 PLA 100% 7) 45 ABS

50%

8) 45 PLA

50%

Factors Description Orientation

  • 1. ¡X-­‑axis direction
  • 2. ¡45°

Materials

  • 1. ¡ABS
  • 2. ¡PLA

Infill ¡rate

  • 1. ¡100% ¡infill
  • 2. ¡50% ¡infill

Orientation Infill ¡rate Materials

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Results

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No. Orientation Materials Infill ¡rate 1)

X

ABS 100% 2) X PLA

100%

3) X ABS

50%

4) X PLA

50%

5) 45 ABS 100% 6) 45 PLA 100% 7) 45 ABS

50%

8) 45 PLA

50%

Factors Description Orientation

  • 1. ¡X-­‑axis direction
  • 2. ¡45°

Materials

  • 1. ¡ABS
  • 2. ¡PLA

Infill ¡rate

  • 1. ¡100% ¡infill
  • 2. ¡50% ¡infill

Orientation Infill ¡rate Materials

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Significant ¡Factor

  • ANOVA

– The ¡effect ¡of ¡orientation, ¡material ¡and ¡infill ¡rate – It ¡shows ¡which ¡groups ¡of ¡the ¡factors ¡are ¡significantly ¡different – All ¡factors ¡have ¡a ¡significant ¡difference

11 Factor Difference 95% ¡Confidence ¡interval Orientation 3.06 2.25 3.87 Material 6.39 5.58 7.20 Infill ¡ ¡rate 11.67 10.86 12.48

Control ¡factors Sum ¡of ¡square Degree ¡of ¡freedom F Prob > ¡F Significance Orientation 93.54 1 59.09 9.2048e-­‑09 *** Material 1362.7 1 860.64 7.2177e-­‑17 *** Infill ¡rate 408.11 1 257.81 1.0554e-­‑24 *** Orientation ¡× Infill ¡rate 70.63 1 44.62 1.5414e-­‑07 *** Orientation ¡× Materials 16.47 1 10.41 0.0027 *** Infill ¡rate ¡× Materials 33.04 1 20.87 6.9328e-­‑05 *** Orientation ¡× Infill ¡rate ¡× Material 9.74 1 6.15 0.0186 ** Error 50.66 32 Total 2044.89 39

Infill ¡rate

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Discussion

  • Infill ¡rate
  • Cross ¡section ¡for ¡orientation

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100% 50%

Materials x 45°

Chilson, ¡Luke. ¡"The ¡Difference ¡Between ¡ABS ¡and ¡PLA ¡for ¡3D ¡Printing." ProtoParadigm, ¡Jan 26 ¡(2013).

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  • Specimen ¡design ¡used ¡for ¡dual ¡materials

– x-­‑direction and ¡ – infill ¡rate ¡of ¡100%

  • Experiment ¡design ¡for ¡dual-­‑material ¡printing

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Experiment ¡Settings

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  • The ¡result ¡of ¡strain-­‑stress ¡experiment ¡for ¡dual ¡materials

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Results

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  • Optical ¡images ¡of ¡printed ¡specimen ¡with ¡multi ¡materials

– the ¡structural ¡error ¡sections ¡of ¡the ¡multiple-­‑material ¡printed ¡specimen

  • FDM ¡printing ¡process ¡with ¡dual ¡materials

– structural ¡errors ¡such ¡as ¡void ¡or ¡overlap

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Discussion

void

  • verlap
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Control ¡factors Sum ¡of ¡square Degree ¡of ¡freedom F Prob > ¡F Significance Structural ¡arrangement 205.852 3 116.42 6.13277e-­‑07 *** Error 4.715 8 Total 210.568 11

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Structural ¡Effect

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Estimation ¡of ¡Max. ¡Tensile ¡Stress

  • Polynomial ¡regression ¡

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5% 25% 50% 75% 100%

  • Max. ¡Tensile ¡Stress ¡(PLA)

20.76 24.02 26.53 33.07 41.35

  • Max. ¡Tensile ¡Stress ¡(ABS)

15.30 14.81 21.26 18.95 32.78

(MPa)

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Estimation ¡of ¡Max. ¡Tensile ¡Stress

  • Polynomial ¡regression ¡(degree: ¡4)

– Polynomial ¡regression ¡model ¡of ¡degree ¡4 ¡is ¡well ¡fitted – Extra ¡experiment ¡on ¡85% ¡for ¡verification

  • the ¡error ¡was ¡1.37%

– But ¡no ¡uncertainty ¡information

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Gaussian ¡Process

  • Locality

– Fill ¡rate ¡locality

  • Uncertainty

– On ¡every ¡fill ¡rate ¡range

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1

( , )

N n n n

y k x x t

=

=å

RBF ¡Kernel ¡Matrix

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Gaussian ¡Process ¡Regression

  • Uncertainty on ¡every ¡fill ¡rate ¡range ¡à Variance ¡information ¡as ¡well

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Conclusions

  • Applications ¡

– Efficient ¡multiple ¡material ¡printing

  • Even ¡if ¡various ¡materials ¡are ¡used ¡in ¡the ¡same ¡ratio, ¡the ¡efficiency ¡of ¡

mechanical ¡properties ¡can ¡be ¡increased.

– Saving ¡material ¡and ¡printing ¡time

  • Finding ¡optimal ¡parameters ¡for ¡a ¡specific ¡tensile ¡strength ¡and ¡print ¡quickly ¡with ¡

fewer ¡materials.

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Conclusions

  • Applications ¡

– Accurate ¡structural ¡mechanics ¡design

  • Possible ¡to ¡design ¡more ¡improved ¡stability ¡in ¡terms ¡of ¡structure ¡using ¡the ¡

estimated ¡mechanical ¡properties

– Safety ¡device

  • When ¡an ¡excessive ¡load ¡is ¡applied ¡to ¡a ¡specific ¡part, ¡it ¡can ¡be ¡used ¡for ¡safety ¡

device ¡by ¡designing ¡it ¡to ¡break ¡at ¡a ¡characteristic ¡load ¡or ¡more

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Future ¡work

  • Preparation ¡of ¡the ¡CF-­‑filament
  • Estimation ¡considering ¡various ¡variables
  • Digital ¡material ¡

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