Naukowcy zwiększają wytrzymałość drukowanych części 3D FDM dla aplikacji UAV

Zespół naukowców z Kingston University, Uniwersytetu w Liverpoolu i Uniwersytetu Nauk i Technologii w Khalifa opublikował niedawno artykuł zatytułowany "Kompozytowe komponenty warstwowe kanapki / części ABS do zastosowań bezzałogowych statków powietrznych", który zajmuje się wykorzystaniem kanapek -konstruowane kompozyty z materiałem rdzenia wykonanym techniką FDM 3D, laminowane cienką warstwą polimerową wzmocnioną włóknami węglowymi (CFRP), w celu polepszenia wytrzymałości i właściwości mechanicznych drukowanych części polimerowych 3D do zastosowań o wysokiej wydajności, takich jak drony, które są również nazywane bezzałogowymi pojazdami latającymi (UAV).

Streszczenie brzmi: "Modelowanie osadzania stopionego (FDM) jest jedną z najpopularniejszych technik druku 3D polimerów termoplastycznych. Niemniej jednak, słaba wytrzymałość mechaniczna części FDM ogranicza zastosowanie tej technologii w funkcjonalnych częściach wielu aplikacji, takich jak bezzałogowe pojazdy latające (UAV), w których wymagana jest lekkość, wysoka wytrzymałość i sztywność. W niniejszym wynalazku proponuje się proces wytwarzania niskostopowego akrylonitrylu-styrenowęglanu butadienu (ABS) z warstwami warstwowymi wzmocnionego włóknami węglowymi (CFRP) dla struktury UAV w celu polepszenia słabej wytrzymałości mechanicznej i modułu sprężystości drukowanego ABS. Kompozytowe struktury warstwowe zachowują zalety FDM do szybkiego tworzenia złożonych geometrii, a jedynie wymaga prostych etapów przetwarzania końcowego w celu poprawy właściwości mechanicznych. Sztuczną sieć neuronową (ANN) użyto do zbadania wpływu gęstości rdzenia i liczby warstw CFRP na właściwości mechaniczne. Wyniki wykazały polepszenie wytrzymałości właściwej i modułu sprężystości wraz ze wzrostem liczby CFRP. Siła właściwa próbek poprawiła się z 20 do 145 KN · m / kg, natomiast moduł Younga zwiększył się z 0,63 do 10,1 GPa podczas laminowania próbek warstwami CFRP. Z drugiej strony gęstość rdzenia nie miała istotnego wpływu zarówno na wytrzymałość właściwą, jak i moduł sprężystości. Przeprowadzono studium przypadku, stosując strukturę warstwową CFRP / ABS / CFRP, stosując proponowaną metodę wytwarzania ulepszonych podwójnych uchwytu przechyłu UAV quadkoptera. "

" Kompozyt o strukturze warstwowej jest unikalną klasą materiałów który jest wytwarzany przez dodanie dwóch cienkich warstw skóry do grubego i lekkiego rdzenia. Oferują wyjątkową wytrzymałość i sztywność w porównaniu do monolitycznych kompozytów. Materiał rdzenia jest zwykle tańszy i ma mniejszą wytrzymałośći gęstość w porównaniu do warstw skóry ", wyjaśniają naukowcy.

Metody drukowania 3D, które mogą sprawić, że bardzo wytrzymałe części, takie jak SLM i EBM, mogą być dość drogie, ale powszechny druk 3D FDM nie jest w stanie sprawiają, że jego części termoplastyczne są wystarczająco wytrzymałe do zastosowań o wysokiej wydajności. Wielu próbowało zwiększyć wytrzymałość drukowanych części 3D z tworzyw sztucznych, z takimi pomysłami, jak ultradźwiękowa technika wzmacniania i użycie żywicy o wysokiej wytrzymałości do wypełnienia pustych przestrzeni, ale naukowcy uważają, że obecnie "zastosowanie kompozytów o strukturze warstwowej w celu poprawy mechanicznych nie ma właściwości trójwymiarowych drukowanych części z tworzyw sztucznych. "

" Eksperymenty przeprowadzone w tym artykule miały na celu określenie, czy zastosowanie kompozytów warstwowych CFRP / ABS / CFRP może mieć ulepszone właściwości mechaniczne w porównaniu z monolitycznym drukowaniem 3D części i jaka jest optymalna liczba warstw CFRP, aby zmaksymalizować siłę i moduł Younga, "napisali naukowcy.

Zespół użył drukarek 3D UP BOX do sfabrykowania próbek do testów i eksperymentów, takich jak zastosowanie pomiary rozciągania próbek o różnej liczbie warstw CFRP i gęstości wypełnienia. Ponadto badania skupiły się również na prognozowaniu właściwości, a także na zależnościach między parametrami procesu a właściwościami nowej struktury warstwowej ABS / CFRP / ABS, wykorzystując zarówno analizę sieci neuronowej, jak i odpowiedź powierzchniową.

" Stwierdzono, że najwyższa wytrzymałość i sztywność uległy znacznej poprawie dzięki zastosowaniu warstw warstwowych CFRP. Pod obciążeniem rozciągającym struktura warstwowa ABS / CFRP / ABS wykazuje zachowanie kruche, podczas gdy była ciągliwa dla monolitycznych próbek ABS. Ostateczna siła poprawiła się około dziewięciu razy, a moduł Younga zwiększył się około 16 razy w porównaniu do próbek drukowanych "- podsumowali naukowcy. "Stworzono model odpowiedzi powierzchniowej w celu przewidywania właściwości materiału na podstawie parametrów procesu. Sprawdzono adekwatność modelu odpowiedzi powierzchniowej. Ponadto opracowano nieliniowy predykator oparty na sztucznych sieciach neuronowych w celu przewidywania modułu sprężystości i wytrzymałości właściwej materiału kompozytowego. Przewidywane wyniki opracowanych sztucznych sieci neuronowych mają doskonałą dokładność w porównaniu z danymi eksperymentalnymi. "