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

محسن محی الدین شیخان, سواره; محبوب خواه, مهران; نجار, رضا

doi:10.48311/mme.2026.121894.83054

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

سواره محسن محی الدین شیخان ¹

مهران محبوب خواه ¹

رضا نجار ²

¹ دانشکده مهندسی مکانیک، گروه مهندسی ساخت و تولید، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران

² دانشکده شیمی، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران

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

نانوتقویت کننده‌های‌های کربنی هیبریدی

نانولوله‌های کربنی-اکسید گرافن

ABS

رسوب‌گذاری مذاب با فیلامنت

رسوب‌گذاری مذاب با گرانول

ساخت افزایشی

خواص مکانیکی

موضوعات

ساخت افزودنی

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 ¹

Reza Najjar ²

¹ Mechanical Engineering Department, University of Tabriz, Tabriz, Iran

² Department of Chemistry, University of Tabriz, Tabriz, Iran

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

[1] T.D. Ngo, A. Kashani, G. Imbalzano, K.T.Q. Nguyen, and D. Hui, "Additive manufacturing (3D printing): A review of materials, methods, applications and challenges," Compos. B Eng., vol. 143, pp. 172-196, 2018, doi: 10.1016/j.compositesb.2018.02.012.

[2] T. Wohlers and T. Gornet, History of additive manufacturing, Wohlers Report 2014. Fort Collins, CO, USA: Wohlers Associates, 2014.

[3] B.N. Turner, R. Strong, and S.A. Gold, "A review of melt extrusion additive manufacturing processes: I. Process design and modeling," Rapid Prototyp. J., vol. 20, no. 3, pp. 192-204, 2014, doi: 10.1108/RPJ-01-2013-0012.

[4] X. Gao, D. Zhang, and S. Qi, "Material extrusion-based additive manufacturing: A review of filament and pellet extrusion," Addit. Manuf., vol. 68, 103527, 2023, doi: 10.1016/j.addma.2023.103527.

[5] ASTM F2792-12 a, Standard Terminology for Additive Manufacturing Technologies. West Conshohocken, PA, USA: ASTM International, 2012.

[6] H. Liu, K. Gong, A. Portela, Z. Cao, R. Dunbar, and Y. Chen, "Granule-based material extrusion is comparable to filament-based material extrusion in terms of mechanical performances of printed PLA parts," Addit. Manuf., vol. 47, 102303, 2021, doi: 10.1016/j.addma.2021.102303.

[7] C. Suvanjumrat, K. Chansoda, and W. Chookaew, "Additive manufacturing advancement through large-scale screw-extrusion 3D printing," Clean. Eng. Technol., vol. 20, 100753, 2024.

[8] D. Popescu, A. Zapciu, C. Amza, F. Baciu, and R. Marinescu, "FDM process parameters influence over the mechanical properties of polymer specimens: A review," Polym. Test., vol. 69, pp. 157-166, 2018, doi: 10.1016/j.polymertesting.2018.05.020.

[9] A.W. Gebisa and H.G. Lemu, "Investigating effects of fused-deposition modeling (FDM) processing parameters on flexural properties of ULTEM 9085 using designed experiment," Materials, vol. 11, no. 4, 500, 2018, doi: 10.3390/ma11040500.

[10] R. Patel, C. Desai, S. Kushwah, and M.H. Mangrola, "Review of FDM process parameters for 3D printing of composite materials," Mater. Today Proc., vol. 60, pp. 2162-2166, 2022, doi: 10.1016/j.matpr.2022.02.385.

[11] R. Rafiei et al., "Optimization of 3D printing process parameters for production of CNT/ABS nanocomposites using Taguchi method" (in Persian), Modares Mech. Eng., vol. 17, no. 10, 2017.

[12] M. Khansari Nabi, A. Mehri, and M. Goudarzi, "Investigation of interlaminar fracture of Glass/ABS composite printed by novel hybrid method (FDM+Fiber)" (in Persian), Modares Mech. Eng., vol. 25, no. 2, pp. 107-115, 2024.

[13] S. Dul, L. Fambri, and A. Pegoretti, "Filaments production and fused deposition modelling of ABS/carbon nanotubes composites," Nanomaterials, vol. 8, no. 1, 49, 2018, doi: 10.3390/nano8010049.

[14] H.K. Sezer and O. Eren, "FDM 3D printing of MWCNT reinforced ABS nanocomposite parts with enhanced mechanical and electrical properties," J. Manuf. Process., vol. 37, pp. 339-347, 2019, doi: 10.1016/j.jmapro.2018.12.004.

[15] T.H. Le, V.S. Le, Q.K. Dang, M.T. Nguyen, T.K. Le, and N.T. Bui, "Microstructure evaluation and thermal–mechanical properties of ABS/MWCNT filaments," Appl. Sci., vol. 11, no. 19, 8798, 2021, doi: 10.3390/app11198798.

[16] N. Arora, S. Dua, V.K. Singh, S.K. Singh, and T. Senthilkumar, "Fillers and mechanical properties of 3D-printed polymer composites: A comprehensive review," Mater. Today Commun., vol. 40, 109617, 2024, doi: 10.1016/j.mtcomm.2024.109617.

[17] J.N. Coleman, U. Khan, W.J. Blau, and Y.K. Gun’ko, "Small but strong: A review of the mechanical properties of carbon nanotube–polymer composites," Carbon, vol. 44, no. 9, pp. 1624-1652, 2006, doi: 10.1016/j.carbon.2006.02.038.

[18] S. Stankovich et al., "Graphene-based composite materials," Nature, vol. 442, no. 7100, pp. 282-286, 2006, doi: 10.1038/nature04969.

[19] P.C. Ma, N.A. Siddiqui, G. Marom, and J.K. Kim, "Dispersion and functionalization of carbon nanotubes for polymer-based nanocomposites: A review," Compos. A Appl. Sci. Manuf., vol. 41, no. 10, pp. 1345-1367, 2010, doi: 10.1016/j.compositesa.2010.07.003.

[20] E.W. Fenta and B.A. Mebratie, "Advancements in carbon nanotube-polymer composites: Enhancing properties and applications through advanced manufacturing techniques," Heliyon, vol. 10, no. 16, e36490, 2024, doi: 10.1016/j.heliyon.2024.e36490.

[21] D.R. Dreyer, S. Park, C.W. Bielawski, and R.S. Ruoff, "The chemistry of graphene oxide," Chem. Soc. Rev., vol. 39, pp. 228-240, 2010, doi: 10.1039/B917103G.

[22] H. Guo, R. Lv, and S. Bai, "Recent advances on 3D printing graphene-based composites," Nano Mater. Sci., vol. 1, no. 2, pp. 101-115, 2019, doi: 10.1016/j.nanoms.2019.03.003.

[23] J. Jyoti, P. Srivastav, D. Singh, and B.P. Singh, "Phase transition and anomalous rheological properties of graphene oxide-carbon nanotube ABS hybrid composites," Compos. B Eng., vol. 154, pp. 337-350, 2018, doi: 10.1016/j.compositesb.2018.08.100.

[24] Y. Chen, G. Sui, X. Liu, and T. Wang, "EMI shielding and dynamic mechanical analysis of graphene oxide-carbon nanotube-ABS hybrid composites," Polym. Test., vol. 91, 106839, 2020, doi: 10.1016/j.polymertesting.2020.106839.

[25] T. Sheikh and K. Behdinan, "Multiscale study of additively manufactured ABS–CNT nanocomposites," Appl. Mater. Today, vol. 35, 101963, 2023, doi: 10.1016/j.apmt.2023.101963.

[26] S. Dul, B.J.A. Gutierrez, A. Pegoretti, J. Alvarez-Quintana, and L. Fambri, "3D printing of ABS nanocomposites reinforced with CNTs: Effect of printing parameters and CNT concentration," J. Mater. Sci. Technol., vol. 121, pp. 52-66, 2022, doi: 10.1016/j.jmst.2021.11.064.

[27] T. Sheikh and K. Behdinan, "Experimental and multiscale study of additively manufactured ABS-CNT nanocomposites," Appl. Mater. Today, in press, 2024, doi: 10.1016/j.apmt.2023.101963.

[28] L.S. De Bortoli, R. De Farias, D.Z. Mezalira, L.M. Schabbach, and M.C. Fredel, "Functionalized carbon nanotubes for 3D-printed PLA nanocomposites," Mater. Today Commun., vol. 31, 103402, 2022, doi: 10.1016/j.mtcomm.2022.103402.

[29] R. Ivanova et al., "Composition-dependent surface and mechanical properties of PLA/graphene/CNT composites," Mater. Chem. Phys., vol. 249, 122702, 2020, doi: 10.1016/j.matchemphys.2020.122702.

[30] T. Batakliev et al., "Nanoindentation analysis of 3D-printed PLA-based composites reinforced with graphene and MWCNTs," J. Appl. Polym. Sci., vol. 136, no. 13, 47260, 2019, doi: 10.1002/app.47260.

[31] N. Vidakis et al., "Additive manufacturing of multifunctional PLA/MWCNT nanocomposites," Nanocomposites, vol. 7, no. 1, pp. 184-199, 2021, doi: 10.1080/20550324.2021.2000231.

[32] S.K. Soni, V. Tody, and B. Thomas, Influence of dispersion technique/time on dispersion stability, aspect ratio and morphology of multi-walled carbon nanotubes, International Journal of Nanotechnology, Vol. 18, No. 5/6/7/8, pp. 590-609, 2021. doi: 10.1504/IJNT.2021.116176.