The Effect of Three Dimensional Printed Infill Pattern on Structural Strength

Abstract

Abstract: The aim of this study is to analyze and obtain the impact of the infill pattern on structural strength for3D printed objects using (Polylactic Acid) PLA material via Fused Deposition Modeling Technique (FDM).Linear, hexagonal and diamond types of infill patterns were selected to investigate as they are the most commonfor FDM. The tensile test specimens were created and prepared for simulation through Computer Aided Design(CAD) and analyzed with Computer Aided Engineering (CAE) methods. For the tensile test simulation; all of thespecimens were prepared with 50% infill density. Shell of the specimens were created with the thickness of 0.8mm, the structure was designed and supported with linear, diamond and hexagonal types of infill patterns. Layerheights were selected as 0.4 mm to decrease the analysis and printing time. A new type of infill pattern named aspyramid was also proposed and developed to obtain better results from the 3D printed objects. Nodaldisplacement was applied as 0.04 mm to specimens as 8 steps to create realistic tensile test simulation. Forcomparison; the key parameters for structural strength and pattern influence were obtained from the simulationresults. Obtained results showed that the equivalent maximum stress is in the range between 7.6 to 68.6 MPa forthe raw PLA, it is up to 112.3 MPa for diamond. The other significant observation is the stress value for thespecimen with diamond infill reached 70.7 MPa that is close to Ultimate Tensile Strength (UTS) of PLA in thefifth step. It can be assumed from the results that specimens with linear, hexagonal and diamond are broken atthe third or fourth steps of the tensile simulation as they were created with 50% infill density and their UTS isabout 35 MPa. Range from 2 to 12 MPa occurred stress differences can be observed for each pattern betweenfirst and fifth steps. The diamond pattern shows the highest values. This can be due to a low density and infillstructural shape effect. For the structural strength the patterns can be listed from high to low as Hexagonal >Linear > Diamond.

Özet

Özet: Bu çalışmanın amacı; Ergiterek Yığma ile Modelleme tekniğiyle (FDM-Fused Deposition Modeling), Polilaktik Asit (PLA-PolylacticAcid) malzeme kullanılarak oluşturulan dolgu geometrisinin mukavemete olan etkisinin analiz edilmesi ve kıyaslanmasıdır. Kıyaslama ve analiz için; yaygın olarak kullanılmasından dolayı doğrusal (linear), altıgen (hexagonal) ve elmas (diamond) tipi geometriler seçilmiştir. Çekme testi numuneleri Bilgisayar Destekli Tasarım (CAD-ComputerAided Design) metotları kullanarak hazırlanmış ve Bilgisayar Destekli Mühendislik (CAE-Computer Aided Engineering) yöntemleriyle analiz edilmiştir. Çekme testi simülasyonu için tüm numuneler %50 doluluk oranıyla hazırlanmıştır. Örneklerin kabuğu (shell) 0,8 mm kalınlıkta oluşturulmuştur. 3B baskı numuneleri, doğrusal, altıgen ve elmas tipi dolgu türleriyle tasarlanmış ve üretilmiştir. Analiz ve baskı süresini azaltmak için katman yükseklikleri 0,4 mm olarak seçilmiştir. Ayrıca, baskı ürünlerinden daha iyi sonuçlar alabilmek için piramit olarak adlandırılan yeni bir geometrik dolgu tipi tasarlanmıştır. Gerçekçi çekme testi simülasyonu oluşturmak için numunelere 8 adımda, 0,04 mm değerinde düğümsel (nodal) yer değiştirmeler uygulanmıştır. Mukavemete etkisi olan anahtar parametreler simülasyon sonuçlarından elde edilmiştir.Elde edilen sonuçlar; oluşan maksimum gerilimin, dökme PLA ile oluşturulan