3D printing of thermoset composite reinforced with continuous fibers and evaluation of its mechanical properties

Document Type : Original Article

Authors
1 Amirkabir University of Technology, Textile Engineering Department, Textile Excellence & research Centers
2 Iran Polymer and Petrochemical Institute
Abstract
There has been a continuous interest in advancing fabrication methods associated with fiber-reinforced composites due to their growing importance across a variety of applications. 3D printing has emerged as a novel approach among these techniques. While short fiber-reinforced composites can be successfully printed, their mechanical properties are often inferior to those of continuous fiber composites. Currently, thermoplastic polymers are commonly used for continuous fiber printing. Despite these drawbacks, thermosetting resins can provide a solution to problems such as low load-bearing capacity, weaker interlayer bonds, and lower strength. In this study, a fused deposition modeling platform was used in order to 3D print thermoset composites reinforced with continuous fibers. Using glass fibers and acrylate resins, single-layer and multilayer composite samples were prepared. Single-layer composites were found to have Young’s modulus of elasticity of 4.74 GPa and a tensile strength of 270.91 MPa, indicating significant results when compared to other research studies. During the bending test for multilayer composites, the stress increases linearly with strain and the main fracture occurs in a brittle manner. A numerical model was also applied to simulate the mechanical behavior of the printed parts. The comparison of experimental and numerical results demonstrated a commendable agreement, thereby validating the method’s effectiveness.
Keywords

Article Title Persian

چاپ سه‌بعدی کامپوزیت‌ گرماسخت تقویت‌شده با الیاف پیوسته و ارزیابی خواص مکانیکی آن

Authors Persian

بهزاد نجفلو 1
امیر مسعود رضادوست 2
مسعود لطیفی 1
1 دانشکده مهندسی نساجی، قطب علمی و مرکز تحقیقات نساجی، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران
2 پژوهشگاه پلیمر و پتروشیمی ایران
Abstract Persian

با توجه به اهمیت کامپوزیت‌های تقویت‌شده با الیاف و کاربردهای متنوع آن‌ها، همواره روش‌های ساخت این کامپوزیت‌ها مورد توجه بوده و چاپ سه‌بعدی به‌عنوان روشی جدید در این حوزه معرفی شده ‌است. الیاف نقش مهمی در خواص کامپوزیت‌ها دارد و اگرچه ساخت کامپوزیت‌های تقویت‌شده با الیاف کوتاه با چاپ سه‌بعدی امکان‌پذیر است، اما حداکثر خواص مکانیکی قابل دستیابی با آنها قابل مقایسه با کامپوزیت‌های الیاف پیوسته نیست. در سال‌های اخیر مواد پلیمری گرمانرم به‌صورت رایج در حوزه‌ی چاپ الیاف پیوسته مورد استفاده قرار می‌گیرند. اما به‌واسطه‌‌ی مشکل‌های موجود از جمله ضعف توانایی باربرداری، پیوند ضعیف‌تر بین‌لایه‌ای و استحکام کم‌تر، استفاده از رزین‌های گرماسخت و استفاده از آنها بسیار می‌تواند راهگشا باشد. در این پژوهش، از روش لایه‌گذاری هم‌جوش به عنوان فناوری پایه برای چاپ سه‌بعدی کامپوزیت‌های گرما‌سخت تقویت‌شده با الیاف پیوسته استفاده شد. الیاف شیشه و رزین آکریلات برای تولید نمونه‌های کامپوزیت تک‌لایه و چندلایه مورد استفاده قرار گرفت. نمونه‌ها تحت آزمون‌های کششی و خمشی قرار گرفتند. مدول یانگ ۴.74 گیگاپاسکال و استحکام کششی نهایی 270.91 مگاپاسکال برای کامپوزیت‌های تک‌لایه محاسبه شد که در مقایسه با یافته‌های سایر پژوهش‌ها، نتایجی قابل توجهی بوده است. نتایجی آزمایش خمش برای کامپوزیت‌های چندلایه نشان داد که تنش به‌صورت خطی با کرنش افزایش می‌یابد و شکست اصلی به‌صورت ترد رخ می‌دهد. همچنین، رفتار مکانیکی قطعه‌های ساخته‌شده شبیه‌سازی شد، و مقایسه‌ی نتایجی تجربی رفتار خمش کامپوزیت چندلایه حاکی از تطابق خوب آنها با خروجی مدل عددی بود.

Keywords Persian

تک لایه
چاپ سه‌بعدی
کامپوزیت‌ الیاف پیوسته
آزمایش مکانیکی