Eklemeli imalat yöntemi ile üretilen karbon fiber katkılı pla plakaların sürtünme karıştırma kaynağı ile birleştirelebirliliğinin taguchi yöntemi kullanılarak incelenmesi
Investigation of the combinability of carbon fiber added plates manufactured by additive manufacturing method with friction mixing welding using taguchi method
Yazar: İBRAHİM İNCEDAL
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ OĞUZ KOÇAR
Zonguldak Bülent Ecevit Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Polimer malzemeler, hafif ve kolay şekil verebilme özellikleri gibi avantajlarından dolayı uzun zamandır hem endüstriyel hem de günlük yaşamda pek çok farklı üründe kullanılmaktadırlar.  Özellikle güçlendirilmiş yüksek performanslı plastik olan mühendislik plastikleri otomotiv, elektronik ve gıda gibi çeşitli imalat sektörlerinde mekanik dayanım, ısı ve kimyasal direnç gereken durumlarda metal, ahşap ve seramik malzemelerin yerini almaktadır. Ayrıca, filamentlerin 3B yazıcı teknolojisinde sarf malzemesi olarak kullanılması, termoplastik malzemelerin tüketimini daha da artmıştır. 3B yazıcıların düşük maliyet ve hızlı parça üretim kabiliyeti, tasarım ve imalat sektörüne (prototip ve nihai ürün üretimi) yeni bir soluk getirmiştir. Bununla beraber; 3B yazıcı ile üretilen parça boyutlarının yazıcı tabla ölçüsüyle sınırlı kalması yüzünden, ürünlerin parça parça basılması ve sonradan birleştirilmesi gereksinimi vardır. Plastik malzemelerin birleştirilmesinde; mekanik bağlantılar, yapıştırma ve kaynak yöntemleri kullanılmaktadır. Mekanik bağlantılar sisteme ağırlık yükü getirdikleri, yapıştırma bağlantıları ise termal ve mekanik zorlanmalar altında düşük performans gösterdikleri için plastik malzemelerin birleştirilmesinde özel kaynak yöntemleri öne çıkmaktadır. Sürtünme karıştırma kaynağı (SKK), geleneksel kaynak yöntemleriyle birleştirilmesi güç olan aynı türden veya farklı malzeme çiftlerinin birleştirilebilmesinde kullanılmaya başlayan yenilikçi bir katı hal kaynak yöntemidir. SKK ile plastik malzemelerin birleştirilmesi hakkında sınırlı sayıda çalışma bulunmaktadır. 
Yapılan çalışmada %15 karbon fiber takviyesine sahip polilaktik asit (PLA-CF) filament kullanılmıştır. 3B yazıcı kullanılarak PLA-CF plakalar üretilmiş ve SKK ile birleştirilebilirliği incelenmiştir. Deneylerde; üç farklı uç geometrisi (üçgen, kare ve vida), üç farklı ilerleme hızı (20, 40 ve 60 mm/dk) ve üç farklı takım dönme hızı (1250, 1750 ve 2250 dev/dk) kullanılmıştır. Deney tasarımı için Taguchi istatistiksel analizi kullanılmıştır. SKK için belirlenen parametre sayısı ve her parametrenin üç seviyesi olduğu için Taguchi L9 ortogonal dizi seçilmiştir.  Çalışmada, kaynak işleminin kalitesini belirlemek için çekme testi yapılmıştır. Elde edilen çekme sonuçları Taguchi metodundaki "en büyük en iyi" kuralına göre değerlendirilmiştir. Ayrıca ANOVA analizi yapılarak uç geometrisi, ilerleme hızı ve takım dönme hızının kaynak kalitesine olan etkileri belirlenmiştir. SKK sırasında termal kamera ile ölçümler yapılmış ve takım ile iş parçası arasında oluşan sürtünmeden kaynaklı ısı oluşumu değerlendirilmiştir. Kaynak hatalarını belirlemek için, kaynaklı numuneler üzerinde görsel incelemeler yapılmıştır. Sonuç olarak kaynak kalitesi üzerinde en önemli etki %51.21 ile takım ilerleme hızı, %33.68 ile takım uç profili ve son olarak %9.21 ile takım dönme hızı olduğu belirlenmiştir

Abstract:
Polymer materials have long been used in many different products in both industrial and daily life due to their advantages such as lightweight and easy formability. Especially reinforced high-performance plastics which are named engineering plastics, replace materials such as metal, wood, and ceramics in various manufacturing sectors such as automotive, electronics, and food, where mechanical strength, heat, and chemical resistance are required. Furthermore, using filaments as consumables in 3D printer technology has further increased the consumption of thermoplastic materials. The low cost and fast part production capability of 3D printers have brought a breath of fresh air to the design and manufacturing sector (prototype and final product production). However; due to the fact that the part sizes produced with 3D printers are limited to the printer table size, there is a need to print the products piece by piece and then assemble them. Mechanical fastening, adhesive bonding, and welding methods are used for joining plastic materials. Special welding methods come to the fore in the joining of plastic materials since mechanical joints add weight load to the system and adhesive joints show low performance under thermal and mechanical stresses. Friction stir welding (FSW) is an innovative solid-state welding process for welding pairs of similar or dissimilar materials that are difficult to join by conventional welding methods. There is a limited number of studies on welding plastic materials with FSW. This study used a polylactic acid filament with 15% carbon fiber reinforcement (PLA-CF). PLA-CF sheets were produced using a 3D printer, and their weldability with FSW was investigated. Three different pin geometries (triangular, square, and screw), three different feed rates (20, 40, and 60 mm/min), and three different tool rotational speeds (1250, 1750, and 2250 rpm) were used in the experiments. Taguchi statistical analysis was used for the experimental design. Taguchi L9 orthogonal array was chosen because of the three parameters and three levels of each parameter determined for FSW. In the study, a tensile test was performed to determine the quality of the welding process. The tensile results obtained were evaluated according to the "Larger is better" rule in Taguchi method. In addition, the effects of tip geometry, feed rate, and tool rotational speed on the weld quality were determined by ANOVA analysis. During the FSW process, measurements were made with a thermal camera, and heat generation due to friction between the tool and the workpiece was evaluated. Visual examinations were made on the welded specimens to determine the welding defects. As a result, the most critical effect on the weld quality was determined as tool feed rate at 51.21%, tool pin profile at 33.68%, and tool rotation speed at 9.21%.