نشریه فناوری آزمون‌های غیرمخرب

نشریه فناوری آزمون‌های غیرمخرب

روشی نوین برای اندازه‌گیری همزمان خواص کشسانی و ضرایب تضعیف پلیمرهای ABS با بهره‌گیری از پراکندگی فراصوتی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
وجیهه سادات سجادی 1
فرهنگ هنرور 2
محمدرضا کاری 3
1 دانشکدة مهندسی مکانیک، آزمایشگاه ارزیابی غیرمخرب، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، تهران، ایران
2 دانشکدۀ مهندسی مکانیک، آزمایشگاه ارزیابی غیرمخرب، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، تهران، ایران
3 دانشکدۀ فیزیک پزشکی، دانشگاه ویسکانسین – مدیسن، آمریکا
10.30494/jndt.2024.473635.1151
چکیده
در این مقاله، یک روش نوآورانه و غیرمخرب برای ارزیابی همزمان خواص کشسانی و ضرایب تضعیف رشته‌های پلیمری به‌کاررفته در فرایند ساخت افزایشی FDM معرفی شده است. این روش مبتنی بر نظریة پراکندگی امواج صوتی است که در آن رشته‌های پلیمری در آب غوطه‌ور شده و تحت تأثیر امواج صوتی قرار می‌گیرند. امواج پراکنده‌شده اطلاعات دقیقی دربارة خواص کشسانی و ضرایب تضعیف این رشته‌ها فراهم می‌کنند. استخراج این اطلاعات با استفاده از یک روش معکوس انجام می‌شود که فرکانس‌های تشدید سیگنال‌های پراکنده را با پیش‌بینی‌های مدل نظری مقایسه می‌کند. تحلیل داده‌ها با بهره‌گیری از تکنیک‌های دیکانولوشن و الگوریتم ژنتیک، امکان اندازه‌گیری دقیق سرعت‌های طولی و عرضی، چگالی، و ضرایب تضعیف طولی و عرضی را تنها در یک آزمایش فراهم می‌سازد. نتایج حاکی از آن است که برای رشته‌های ABS مورداستفاده در این مقاله سرعت‌های طولی و عرضی به‌ترتیب 2280 و 956 متربرثانیه و ضرایب تضعیف امواج طولی و عرضی به‌ترتیب برابر با 012ka/0 و 024ka/0 نپر و و چگالی 1006 کیلوگرم برمترمکعب است. این نتایج با آزمون‌های فراصوتی بازتابی بر روی میله‌های ABS با قطر 25 میلی‌متر مقایسه و دقت اندازه‌گیری‌ها تأیید شد، به‌طوری‌که سرعت‌های طولی و عرضی به‌ترتیب با خطای کمتر از 5/2 و 13 درصد و چگالی با خطای 2/0 درصد اندازه‌گیری شده است. همچنین، خطای ضرایب تضعیف امواج طولی در فرکانس 5/0 مگاهرتز حدود 6 درصد و خطای ضرایب تضعیف امواج عرضی در فرکانس 5 مگاهرتز حدود 12 درصد است. این پژوهش نشان می‌دهد که روش پیشنهادی نه‌تنها به‌صورت دقیق سرعت‌های طولی و عرضی، چگالی و ضرایب تضعیف پلیمرها را اندازه‌گیری می‌کند، بلکه می‌تواند درک عمیق‌تری از رفتار پلیمرهای مورد استفاده در ساخت افزایشی فراهم کند.
کلیدواژه‌ها
سرعت موج
ضریب تضعیف مادۀ پلیمری
پراکندگی آکوستیک
روش معکوس
آزمون غیرمخرب فراصوتی

موضوعات

عنوان مقاله English

Novel Approach for Simultaneous Measurement of Elastic Properties and Attenuation Coefficients of ABS Polymers Using Ultrasonic Scattering

نویسندگان English

Vajihehsadat Sajadi 1
Farhang Honarvar 2
Mohammadreza Kari 3
1 NDE Lab., Faculty of Mechanical Engineering, K. N. Toosi University of Technology, Tehran, Iran.
2 NDE Lab., Faculty of Mechanical Engineering, K. N. Toosi University of Technology, Tehran, Iran
3 Medical Physics, University of Wisconsin-Madison, Madison, Wisconsin 53705, USA
چکیده English

In this paper, we present an innovative, non-destructive method for the simultaneous evaluation of the elastic properties and attenuation coefficients of polymeric filaments utilized in the Fused Deposition Modeling (FDM) additive manufacturing process. This method is grounded in the theory of acoustic wave scattering, where polymer filaments are immersed in water and subjected to acoustic waves. The scattered waves carry detailed and comprehensive information about the elastic properties and attenuation coefficients of the filaments. To extract this information, we employ an inverse method that involves comparing the resonance frequencies observed in the scattered signals with the predictions made by a theoretical model. Our data analysis process integrates advanced techniques, including deconvolution and genetic algorithms, which enable the precise and accurate measurement of critical parameters such as longitudinal and transverse velocities, density, and both longitudinal and transverse attenuation coefficients in a single experiment. The findings from our experiments reveal that, for the ABS filaments studied, the longitudinal and transverse velocities are 2280 m/s and 956 m/s, respectively, while the longitudinal and transverse attenuation coefficients are measured at 0.012ka and 0.024ka Nepers, respectively, with a filament density of 1006 kg/m³. These experimental results were validated through comparison with ultrasonic pulse-echo tests performed on ABS rods with a diameter of 25 mm, confirming the accuracy of our method. Specifically, the errors in measuring longitudinal and transverse velocities were found to be less than 2.5% and 13%, respectively, while the density measurement exhibited an impressively low error margin of just 0.2%. Furthermore, the error in the longitudinal attenuation coefficient at a frequency of 0.5 MHz was approximately 6%, and the error in the transverse attenuation coefficient at a frequency of 5 MHz was about 12%. This research not only demonstrates the accuracy and reliability of our proposed method but also contributes significantly to a deeper understanding of the properties and behavior of polymers used in additive manufacturing processes

کلیدواژه‌ها English

Wave Velocity
Attenuation coefficient of the polymer material
Acoustic Scattering
Inverse Problem
Non-Destructive Ultrasonic Testing
[1] Uddin, M. S., Sidek, M. F., Faizal, M. A., Ghomashchi, R., & Pramanik, A. (2017). Evaluating mechanical properties and failure mechanisms of fused deposition modeling acrylonitrile butadiene styrene parts. Journal of Manufacturing Science and Engineering, 139(8), 081018.
[2] Pylaev, A. E., Kostikova, E. A., Yurkov, A. L., Kalugin, D. I., Malakho, A. P., Avdeev, V. V., Lepin, V. N., Oktyabr’skaya, L. V., & Minchuk, S. V. (2018). Velocity and attenuation of acoustic waves in polymers and polymer composites. *Polymer Science, Series D, 11, 272-276.
[3] Fayazbakhsh, K., Movahedi, M., & Kalman, J. (2019). The impact of defects on tensile properties of 3D printed parts manufactured by fused filament fabrication. Materials Today Communications, 18, 140-148.
[4] Karabutov, A. A., Podymova, N. B., & Sokolovskaya, Y. G. (2019). Local Kramers–Kronig relations between the attenuation coefficient and phase velocity of longitudinal ultrasonic waves in polymer composites. Acoustical Physics, 65, 158- 164.
[5] Quintana, J. L., Redmann, A., Capote, G. A., PérezIrizarry, A., Bechara, A., Osswald, T. A., & Lakes, R. (2019). Viscoelastic properties of fused filament fabrication parts. Additive Manufacturing, 28, 704-710.
[6] Honarvar, F., & Varvani-Farahani, A. (2020). A review of ultrasonic testing applications in additive manufacturing: Defect evaluation, material characterization, and process control. Ultrasonics, 108, 106227.
[7] Jin, Y., Walker, E., Heo, H., Krokhin, A., Choi, T. Y., & Neogi, A. (2020). Nondestructive ultrasonic evaluation of fused deposition modeling based additively manufactured 3D-printed structures. *Smart Materials and Structures*, 29(4), 045020.
[8] Ono, K. (2020). A comprehensive report on ultrasonic attenuation of engineering materials, including metals, ceramics, polymers, fiberreinforced composites, wood, and rocks. *Applied Sciences*, 10(7), 2230.
[9] Ono, K. (2020). Dynamic viscosity and transverse ultrasonic attenuation of engineering materials. Applied Sciences, 10(15), 5265.
[10] Moradi, M., Aminzadeh, A., Rahmatabadi, D., & Hakimi, A. (2021). Experimental investigation on mechanical characterization of 3D printed PLA produced by fused deposition modeling (FDM). Materials Research Express, 8(3), 035304.
11. Tezel, T., Ozenc, M., & Kovan, V. (2021). Impact properties of 3D-printed engineering polymers. *Materials Today Communications*, 26, 102161.
[12] Antoniou, A., Evripidou, N., Giannakou, M., Constantinides, G., & Damianou, C. (2021). Acoustical properties of 3D printed thermoplastics. The Journal of the Acoustical Society of America, 149(4), 2854-2864.
[13] Ma, D., Gao, R., Li, M., & Qiu, J. (2022). Mechanical and medical imaging properties of 3Dprinted materials as tissue equivalent materials. Journal of Applied Clinical Medical Physics, 23(2), e13495.
[14] Zaharia, S. M., Pop, M. A., Cosnita, M., Croitoru, C., Matei, S., & Spîrchez, C. (2023). Sound Absorption Performance and Mechanical Properties of the 3D-Printed Bio-Degradable Panels. Polymers, 15(18), 3695.
[15] Matei, S., Pop, M. A., Zaharia, S. M., Coșniță, M., Croitoru, C., Spîrchez, C., & Cazan, C. (2024). Investigation into the Acoustic Properties of Polylactic Acid Sound-Absorbing Panels Manufactured by 3D Printing Technology: The Influence of Nozzle Diameters and Internal
[16] Honarvar, F., & Enjilela, E. (2006). Resonance acoustic spectroscopy. In Handbook of Applied Solid State Spectroscopy (pp. 351-409).
[17] Flax, L., Dragonette, L. R., & Überall, H. (1978). Theory of elastic resonance excitation by sound scattering. The Journal of the Acoustical Society of America, 63(3), 723-731.
[18] Honarvar, F. (1997). Nondestructive Evaluation of Cylindrical Components by Resonance Acoustic Spectroscopy [dissertation]. Canada: University of Toronto.
[19] Vogt, R. H., Flax, L., Dragonette, L. R., & Neubauer, W. G. (1975). Monostatic reflection of a plane wave from an absorbing sphere. The Journal of the Acoustical Society of America, 57(3), 558-561.
[20] Maze, G., Taconet, B., & Ripoche, J. (1981). Influence des ondes de “galerie à écho” sur la diffusion d'une onde ultrasonore plane par un cylindre. Physics Letters A, 84(6), 309-312.
[21] Sajadi, V., Honarvar, F., & Kari, M. (2024). Utilizing the derivative of unwrapped phase in ultrasonic nondestructive evaluation of elastic properties of polymer filaments. The Journal of the Acoustical Society of America, 155(2), 1391- 1405.
[22] Veksler, N. D. (2012). Resonance acoustic spectroscopy. Springer Science & Business Media.
[23] Kari, M., & Honarvar, F. (2014). Characterization of a cylindrical rod by inversion of acoustic scattering data. Ultrasonics, 54(6), 1559-1567.
[24] Rose, J. L. (1999). Ultrasonic waves in solid media (1st ed.). Cambridge University Press.

  • تاریخ دریافت 26 مرداد 1403
  • تاریخ بازنگری 16 شهریور 1403
  • تاریخ پذیرش 26 مهر 1403