مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

بررسی تأثیر فرآیند ساخت افزایشی FDM و FGF بر خواص مکانیکی و حرارتی نانوکامپوزیت‌های ABS تقویت‌شده با نانومواد هیبریدی CNT-GO

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 گروه مهندسی ساخت و تولید، دانشکده فنی مهندسی مکانیک، دانشگاه تبریز، تبریز
2 دانشگاه تبریز
3 دانشکده شیمی، دانشگاه تبریز، تبریز
10.48311/mme.2026.121894.83054
چکیده
نانوصفحات کربنی هیبریدی مسیری مؤثر برای بهبود عملکرد مکانیکی و حرارتی ترموپلاستیک‌های مورد استفاده در ساخت افزایشی مبتنی بر اکستروژن فراهم می‌کنند. در این پژوهش، نانوکامپوزیت‌های آکریلونیتریل-بوتادین-استایرن (ABS) تقویت‌شده با افزودنی‌های هیبریدی نانولوله‌های کربنی (CNT) و اکسید گرافن (GO) با استفاده از دو روش رسوب‌گذاری مذاب با فیلامنت (FDM) و رسوب‌گذاری مذاب با گرانول (FGF) ساخته شدند. برای بهبود پراکندگی نانوصفحات پیش از اکستروژن، از راهکار اختلاط با کمک انحلال شیمیایی استفاده گردید. خواص مکانیکی (کشش و خمش)، رفتار حرارتی (گرماسنجی پویشی تفاضلی DSC و وزن‌سنجی گرمایی TGA)، ساختار شیمیایی (طیف‌سنجی فروسرخ FTIR) و ریزساختار (میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی FESEM) نمونه‌ها مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که ترکیب متوازن0.15%CNT/0.15%GO در آزمون کشش، مدول کشسانی را در FDM به میزان ٪۲۳ و در FGF به میزان ٪۲۵ افزایش داد. استحکام کششی نیز به‌ترتیب ٪۱۵ و ٪۲۷ بهبود یافت. در آزمون خمش، ترکیب 0.1%CNT/0.2%GO در فرآیند FGF با افزایش ٪۱۱۴ مدول خمشی و ٪۶۳ استحکام خمشی، بهترین عملکرد را نشان داد. تحلیل‌های حرارتی افزایش دمای انتقال شیشه‌ای تا ۵٫۴ درجه سانتی‌گراد و افزایش دمای تخریب ٪۵ وزنی تا ۱۵ درجه سانتی‌گراد را در نانوکامپوزیت‌ها تأیید کردند. تصاویر ریزساختاری نشان‌دهنده پراکندگی یکنواخت نانوذرات، کاهش تخلخل و مکانیزم‌های انحراف و پل‌زنی ترک در نمونه‌های هیبریدی بود. اگرچه FDM مقادیر مطلق بالاتری در خواص مکانیکی ارائه داد، FGF بهبودهای نسبی بیشتری به ویژه در خواص خمشی نشان داد. یافته‌های این پژوهش نشان می‌دهد که انتخاب روش ساخت و نسبت بهینه تقویت‌کننده‌ها نقش تعیین‌کننده‌ای در کارایی تقویت‌کنندگی پلیمرها در ساخت افزایشی دارند.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Comparative Study of FDM and FGF Additive Manufacturing Processes on Mechanical and Thermal Properties of ABS Nanocomposites Reinforced with Hybrid CNT-GO Nanomaterials

نویسندگان English

Sewara Mohsin Mahealdeen Shekhan 1
Mehran Mahboubkhah 2
Reza Najjar 3
1 Department of Mechanical Engineering, University of Tabriz, Tabriz
2 University of Tabriz
3 Chemical Department, University of Tabriz, Tabriz
چکیده English

Hybrid carbon reinforcements provide an effective route to enhance the mechanical and thermal performance of thermoplastics used in extrusion-based additive manufacturing. In this study, acrylonitrile-butadiene-styrene (ABS) nanocomposites reinforced with hybrid carbon nanotube (CNT) and graphene oxide (GO) reinforcements were fabricated using fused deposition modeling (FDM) and fused granular fabrication (FGF). A dissolution-assisted mixing strategy was employed to improve nanofiller dispersion prior to extrusion. Mechanical properties (tensile and flexural), thermal behavior (differential scanning calorimetry and thermogravimetric analysis), chemical structure (Fourier transform infrared spectroscopy), and microstructure (field emission scanning electron microscopy) of the specimens were comprehensively investigated. The results showed that the balanced 0.15%CNT-0.15%GO composition increased the tensile modulus by 23% in FDM and 25% in FGF, while tensile strength improved by 15% and 27%, respectively. In flexural testing, the 0.1%CNT-0.2%GO composition fabricated via FGF exhibited the best performance, with 114% and 63% improvements in flexural modulus and flexural strength, respectively. Thermal analysis confirmed increases in glass transition temperature by up to 5.4°C and 5% weight loss temperature by up to 15°C in hybrid nanocomposites. Microstructural observations revealed uniform nanoparticle dispersion, reduced porosity, and crack deflection and bridging mechanisms in hybrid specimens. Although FDM provided higher absolute mechanical properties, FGF demonstrated more significant relative improvements, particularly in flexural properties. The findings indicate that the selection of fabrication method and optimal reinforcement ratio plays a decisive role in the reinforcement efficiency of hybrid reinforcements in additive manufacturing.

کلیدواژه‌ها English

Hybrid carbon reinforcement
Carbon nanotube-graphene oxide
ABS
Fused deposition modeling
Fused granular fabrication
Mechanical properties
Thermal stability

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 15 شهریور 1405