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

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

Outline • Introduction • Motivation • Experiment – Single ¡material – Dual ¡material • Structural ¡effect • Results ¡and ¡Discussion • Estimation ¡of ¡Maximum ¡Tensile ¡Stress • Conclusion 2

Additive ¡Manufacturing ¡(AM) • Automated ¡systems ¡that ¡take ¡2D ¡layers ¡of ¡computer ¡data ¡and ¡ rebuild ¡them ¡into ¡3D ¡products Rapid ¡ Aerospace Medical Tooling Lifestyle Automotive Prototyping 3

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 4

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 5

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. ¡ 6

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 7

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 Factors Description Orientation 1) ¡X-­‑axis direction 2) ¡45 ° Materials 1) ¡ABS 2) ¡PLA Infill ¡rate 1) ¡50% ¡infill 2) ¡100% ¡infill 8

Results Factors Description Orientation 1. ¡X-­‑axis direction 2. ¡45 ° Materials 1. ¡ABS 2. ¡PLA Infill ¡rate 1. ¡100% ¡infill 2. ¡50% ¡infill No. Orientation Materials Infill ¡rate X 1) ABS 100% 100% 2) X PLA 50% 3) X ABS 50% 4) X PLA 5) 45 ABS 100% 6) 45 PLA 100% 50% 7) 45 ABS 50% 8) 45 PLA Infill ¡rate Orientation Materials 9

Results Factors Description Orientation 1. ¡X-­‑axis direction 2. ¡45 ° Materials 1. ¡ABS 2. ¡PLA Infill ¡rate 1. ¡100% ¡infill 2. ¡50% ¡infill No. Orientation Materials Infill ¡rate X 1) ABS 100% 100% 2) X PLA 50% 3) X ABS 50% 4) X PLA 5) 45 ABS 100% 6) 45 PLA 100% 50% 7) 45 ABS 50% 8) 45 PLA Infill ¡rate Orientation Materials 10

Significant ¡Factor • ANOVA – The ¡effect ¡of ¡orientation, ¡material ¡and ¡infill ¡rate 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 – It ¡shows ¡which ¡groups ¡of ¡the ¡factors ¡are ¡significantly ¡different – All ¡factors ¡have ¡a ¡significant ¡difference Infill ¡rate 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 11

Discussion • Infill ¡rate Materials 100% 50% • Cross ¡section ¡for ¡orientation x 45 ° 12 Chilson, ¡Luke. ¡"The ¡Difference ¡Between ¡ABS ¡and ¡PLA ¡for ¡3D ¡Printing." ProtoParadigm, ¡Jan 26 ¡(2013).

Experiment ¡Settings • Specimen ¡design ¡used ¡for ¡dual ¡materials – x -­‑direction and ¡ – infill ¡rate ¡of ¡100% • Experiment ¡design ¡for ¡dual-­‑material ¡printing 13

Results • The ¡result ¡of ¡strain-­‑stress ¡experiment ¡for ¡dual ¡materials 14

Discussion • Optical ¡images ¡of ¡printed ¡specimen ¡with ¡multi ¡materials – the ¡structural ¡error ¡sections ¡of ¡the ¡multiple-­‑material ¡printed ¡specimen overlap void • FDM ¡printing ¡process ¡with ¡dual ¡materials – structural ¡errors ¡such ¡as ¡void ¡or ¡overlap 15

Structural ¡Effect 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 16

Estimation ¡of ¡Max. ¡Tensile ¡Stress • Polynomial ¡regression ¡ (MPa) 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 17

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 18

Gaussian ¡Process • Locality – Fill ¡rate ¡locality • Uncertainty – On ¡every ¡fill ¡rate ¡range N = å y k x x t ( , ) n n = n 1 RBF ¡Kernel ¡Matrix 19

Gaussian ¡Process ¡Regression • Uncertainty on ¡every ¡fill ¡rate ¡range ¡ à Variance ¡information ¡as ¡well 20

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. 21

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 22

Future ¡work • Preparation ¡of ¡the ¡CF-­‑filament • Estimation ¡considering ¡various ¡variables • Digital ¡material ¡ 23