مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

بهینه‌سازی همزمان لایه‌به‌لایه چگالی و الگوی پُرشدگی در قطعات PLA چاپ‌شده به روش FDM: بررسی اثرات سلسله‌مراتبی بر رفتار کششی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران
2 دانشگاه صنعتی امیرکبیر، دانشکده مکانیک
3 گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل، مازندران، ایران
10.48311/mme.2026.124432.83130
چکیده
راهبردهای پرکنندگی یکنواخت در ساخت افزایشی، برهم‌کنش چگالی و الگوی پرکنندگی را در ضخامت قطعات پلیمری به‌خوبی نشان نمی‌دهند. در این پژوهش، نمونه‌های PLA به سه ناحیه در راستای ضخامت تقسیم شدند و برای هر ناحیه، چگالی ۳۰، ۶۰ یا ۹۰ درصد و پیکربندی متشکل از الگو و جهت‌گیری مسیر چاپ تعیین شد. آزمایش‌ها با آرایه تاگوچی L18 طراحی و سهم عوامل با مدل خطی عمومی ارزیابی شد. چگالی ناحیه مرکزی با سهم ۵۴٫۷ درصد از تغییرات تبیین‌شده، عامل اصلی استحکام کششی نهایی بود؛ پیکربندی این ناحیه نیز با سهم ۷٫۲ درصد اثر معناداری داشت (p < 0.001). اثر پیکربندی به چگالی وابسته بود؛ الگوی لانه‌زنبوری صفر درجه در چگالی متوسط استحکام بیشتری ایجاد کرد، درحالی‌که الگوی خطی ±۴۵ درجه در چگالی بالا سفتی را بهبود داد. تغییرات ناگهانی بین نواحی اثر معناداری نداشت، اما گرادیان ملایم‌تر به‌صورت کیفی با حفظ بهتر استحکام همراه بود. نمونه‌های سه‌ناحیه‌ای برخلاف نمونه‌های مرجع توپر با شکست ترد، مسیرهای پیچیده انتشار ترک و رفتار شکل‌پذیر پس از تسلیم نشان دادند. بهترین طراحی، با کاهش حدود ۳۰ درصدی مصرف مواد و ۵۰ درصدی زمان چاپ، استحکام کششی را در فاصله ۵ تا ۱۳ درصدی مرجع حفظ کرد. مطلوبیت ترکیبی بهینه‌سازی چندهدفه ۰٫۵۹۳ بود. نتایج، اهمیت چگالی مرکزی و ارزیابی جداگانه هندسه الگو و جهت‌گیری چاپ را در طراحی قطعات سبک تابعی‌مدرج FDM نشان می‌دهند.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Layer wise co optimization of infill density and configuration in FDM printed PLA: hierarchical effects on tensile performance

نویسندگان English

amirali nakhaei 1
ali akbari lalaei 1
Hamed Adibi 2
arash mahdavi 3
1 Amirkabir University of Technology, Department of Mechanical Engineering, Iran
2 Amirkabir university of technology Mechanical Engineering Department
3 Babol Noshirvani University of Technology, Department of Mechanical Engineering, Iran
چکیده English

Uniform infill strategies overlook how infill density and pattern interact across the thickness of additively manufactured polymer parts. This study examined the mechanical performance of three-zone PLA specimens, with each zone assigned an infill density (30%, 60%, or 90%) and a configuration combining pattern geometry and raster orientation. An L18 Taguchi design guided fabrication, and a general linear model quantified factor contributions. Core density was the dominant predictor of ultimate tensile strength, accounting for 54.7% of the explained variation, while core configuration contributed 7.2% (p < 0.001). Configuration effects depended on density: honeycomb at 0° favored strength at moderate core densities, whereas rectilinear at ±45° improved stiffness at high densities. Abrupt transitions between zones had a smaller, statistically nonsignificant effect, although smoother gradients were qualitatively associated with better strength retention. Segmented specimens exhibited tortuous crack paths and ductile post-yield behavior, unlike the brittle fracture observed in uniform solid references. The best segmented design approached reference tensile strength within 5–13%, while reducing material use by approximately 30% and printing time by 50%. Multiobjective optimization yielded a composite desirability of 0.593. These findings identify core density as the primary design variable for lightweight, functionally graded FDM parts and highlight the importance of separately evaluating pattern geometry and raster orientation.

کلیدواژه‌ها English

Fused Deposition Modeling
Polylactic Acid
Multi-zone graded infill
Configuration–density co-optimization
Tensile properties

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 16 آبان 1405