Eklemeli imalat teknolojisi eriyik biriktirme modelleme yöntemi için kompozit ABS filament üretilmesi ve mekanik özelliklerinin incelenmesi
Production of composite ABS filament for fused deposition modeling of additive manufacturing technology and investigation of mechanical properties
Yazar: SİNAN DİKSU
Danışman: PROF. DR. CELALETDİN ERGUN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme ve İmalat Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Kompozit malzemeler = Composite materials ; Polimer malzemeler = Polymer materials

Özet:
Eklemeli imalat teknolojisi 1980'li yıllarda ortaya çıkan ve günümüzde klasik imalat yöntemlerinin tahtını sarsan bir üretim teknolojisidir. Genel olarak hızlı prototipleme ve hızlı üretim amacıyla kullanılmaktadır. Karmaşık geometriye sahip parçaların üretilebilmesi, kalıp yatırımı gerektirmemesi, hurda malzeme miktarının çok az olması ve sayıca düşük miktardaki ürünü daha kısa zamanda üretebilmesi gibi sunduğu avantajlar ile geleneksel imalat yöntemlerinin yerini almaya başlamıştır. Eklemeli imalat, malzemelerin birbirini üstüne biriktirilmesi prensibine dayanmaktadır. Bir platform üstünde üretilen ilk katman tamamlandıktan sonra diğer katmanlar dataya uygun bir şekilde bu katmanın üstüne biriktirilerek istenen ürün elde edilir. Eklemeli imalat teknolojisi yöntemlerinden biri de eriyik biriktirme modelleme yöntemidir. Bu yöntemde genel olarak polimer malzemeler kullanılır. Eriyik biriktirme modelleme yönteminde malzemenin kullanılabilmesi için filament şeklinde olması gerekmektedir. Bu filamentler genel olarak 1.75 mm ve 3.00 mm çapındadırlar. Polimer filamentler eriyik biriktirme modelleme yönteminde üç boyutlu baskı yapabilen bir yazıcıda kullanılarak parçaların üretilmesini sağlarlar.
Yapılan bu çalışmada katkı malzemeleri eklenerek kompozit ABS filament üretilmesi ve üretilen bu kompozit filamentlerin mekanik özelliklerinin katkısız bir şekilde üretilen ABS filamentinin mekanik özellikleri ile karşılaştırılması amaçlanmıştır. Karbon fiber tozu katkılı ABS filamenti üretimi ile ABS filamentin akma dayanımını artırmak hedeflenirken TPU katkısı ile de ABS filamenti yüzde uzama miktarını artırmak hedeflenmiştir.
Eriyik biriktirme modelleme yönteminde kullanılan filamentler plastik ekstrüzyon yöntemi ile üretilirler. Granül halindeki polimer hammadde ekstrüzyon makinesinde eriyik hale getirilerek belirlenen kalıptan sürekli bir şekilde geçirilerek üretim gerçekleştirilir. Kalıptan çıkan malzeme bir çekici yardımı ile çekilir ve bir sarıcı yardımı ile bobine sarılır. Bobine sarılmış haldeki malzeme üç boyutlu yazıcı için kullanıma hazır hale gelmiş olur. Çalışmada ABS granülleri katkısız bir şekilde ekstrüzyon makinesinde kalıptan sürekli geçirilerek ABS filament üretilmiştir.
Plastik ekstrüzyon yönteminde katkılı malzemelerin kullanılması bir kompound oluşturma makinesi yardımı ile gerçekleştirilir. Kompound oluşturma makinesi ekstrüzyon makinesi ile aynı işlevdedir. Farkı ise çift vidalı olması ve bir kırıcı yardımı ile kalıptan geçirilen malzemenin tekrar granül hale getirilebilmesidir. Çalışmada ABS granülleri karbon fiber tozu ile karıştırılarak kompound oluşturma makinesinde kalıptan geçirilmiştir ve kırıcı tekrar granül hale dönüştürülmüştür. Elde edilen bu granüller plastik ekstrüzyon makinesinde kullanılarak karbon fiber tozu katkılı ABS filament elde edilmiştir. Karbon fiber tozu ağırlıkça farklı yüzdelerde kullanılmıştır. Bu yüzdeler sırasıyla %1, %3 ve %5 olmuştur. Benzer çalışma ABS granülleri ve TPU granülleri ile de gerçekleştirilmiştir. Ağırlıkça %10, %20 ve %30 oranlarında TPU granülleri eklenen ABS granülleri kompound oluşturma makinesinde kalıptan geçirildikten sonra kırıcı yardımı ile tekrar bileşik granüller elde edilmiştir. Bu granüller ekstrüzyon makinesinde kullanılarak TPU katkılı kompozit ABS filamentleri elde edilmiştir.
Filamentlerin üretimleri 1.75 mm ölçüsünde çap hedeflenerek gerçekleştirilmiştir. Bu ölçüdeki çapı elde etmek için uygun kalıp ve çekim uygulanmıştır. Katkısız ABS filamenti için yapılan ölçüm ile ortalama çap 1.73 mm olarak bulunmuştur ve standart sapması 0.08 olarak elde edilmiştir. TPU katkılı filamentlerde bu ölçümler sırasıyla %10, %20 ve %30 için gerçekleştirilmiştir. Elde edilen ortalama çaplar ise 1.73 mm, 1.73 mm ve 1.72 mm olarak bulunmuştur. Standart sapmalar ise 0.07, 0.08 ve 0.06 olmuştur. Karbon fiber tozu katkılı filamentlerde yapılan ölçüm sonuçları ise %1, %3 ve %5 için sırasıyla 1.73 mm, 1.75 mm ve 1.72 mm olarak bulunmuştur. Standart sapmalar üç oranda da 0.07 olarak elde edilmiştir.
Elde edilen bu filamentlere çekme dayanım testi uygulanmıştır. Testin gerçekleştirilebilmesi için ASTM-D638 TİP-1 göre test numuneleri gereklidir. Bir üç boyutlu yazıcı kullanılarak üretilen filamentler ile bu numunelere basılmıştır. Her filament için 5 adet test numunesi hazırlanmıştır.
Yapılan çekme testi sonucunda beklenen bir artış karbon fiber tozu katkılı filamentlerin akma dayanımı ve kopma dayanımı değerlerinde gerçekleşmiştir. Elastisite modülleri genel olarak artış gösterirken yüzde uzama değerleri katkısız ABS filamentine göre azalmıştır.
TPU granülleri eklenerek üretilen filamentlerde ise akma dayanımı, elastisite modülü ve kopma dayanımlarında genel olarak bir azalış elde edilmiştir. Çalışmadan beklenilen boca yüzde uzamalardaki artış TPU katkılı filamentlerin test numunelerinde elde edilmiştir.

Abstract:
Additive manufacturing technology is a production technology that was found in the 1980s and has started to replace classical manufacturing methods today. It is generally used for rapid prototyping and rapid production. It has started to replace traditional manufacturing methods with the advantages it offers such as the ability to produce parts with complex geometry, do not require mold investment, the amount of scrap material is very small, and the production of a small amount of products in a shorter time. Additive manufacturing is based on the principle of accumulating materials on top of each other. After the first layer produced on a platform is completed, the other layers are deposited on this layer in accordance with the data and the desired product is obtained. One of the additive manufacturing technology methods is the fused deposition modeling method. In order to use the material in the fused deposition modeling method, it must be in the form of a filament. These filaments are generally 1.75 mm and 3.00 mm in diameter. One of these two diameters is preferred according to the purpose of use. In general, the most commonly used diameter is 1.75 mm. Polymer filaments are used in a three-dimensional printer in the fused deposition modeling method to produce parts. In this study, it is aimed to produce composite ABS filament by adding additives and to compare the mechanical properties of these composite filaments with the mechanical properties of the produced ABS filament without additives. With the production of ABS filaments with the addition of carbon fiber powder, it is aimed to increase the yield strength and rigidity of the ABS filament. With ABS produced by adding TPU granules, it is aimed to increase the percentage elongation and flexibility of the filament.
Polymer filaments used in the fused deposition modeling method are produced by the plastic extrusion method. The granular polymer raw material is placed in the funnel of the extrusion machine. With the rotation of the screw, the raw material is carried inside the extrusion machine and the material is started to be heated. The material turns into a molten state with the heat applied by resistances and the pressure that occur during transportation. The molten material is continuously pulled from the mold and the desired production is realized. By applying continuous pulling, the material coming out of the mold is wrapped in a bobbin with the help of a wrapper. The material wrapped in the bobbin is ready for use in three-dimensional printer. One of the filaments produced in the study was produced by continuously passing the ABS granules through the extrusion machine without additives. This filament was used as a reference filament.
The use of additive materials in the plastic extrusion method is carried out with the help of a compound forming machine. The compounding machine is the same as the extruder. The difference is that it has a double screw and the material passed through the mold with the help of a crusher can be granulated again. In the study, ABS granules were mixed with carbon fiber powder and passed through the mold in a compounding machine and the crusher was turned into granules again. The obtained granules were used in a plastic extrusion machine and ABS filament with carbon fiber powder was obtained. Carbon fiber powder was used in different percentages by weight. These percentages were 1%, 3% and 5%, respectively. Similar work has been carried out with ABS granules and TPU granules. After the ABS granules added with TPU granules in the ratio of 10%, 20% and 30% by weight, they were molded in the compounding machine and then compound granules were obtained again with the help of a crusher. TPU-reinforced ABS filaments were obtained by using these granules in the extrusion machine.
The production of the filaments was carried out aiming at a diameter of 1.75 mm. A mold with a 3 mm diameter hole was used to obtain this diameter. The drawing speed was adjusted to the speed required to reduce the diameter of the material coming out of the mold to 1.75 mm. Average diameter was found to be 1.73 mm with the measurement for the pure ABS filament and its standard deviation was obtained as 0.08. For filaments with TPU added, these measurements were made for 10%, 20% and 30% additive by weight, respectively. The average diameters obtained were found to be 1.73 mm, 1.73 mm and 1.72 mm. Standard deviations were 0.07, 0.08 and 0.06. The measurement results for carbon fiber powder-reinforced filaments were found to be 1.73 mm, 1.75 mm and 1.72 mm for 1%, 3% and 5%, respectively. Standard deviations were obtained as 0.07 in all three proportions.
Mechanical properties of these filaments were compared by applying tensile strength test. There are two most commonly applied standards for tensile testing of polymer materials in international standards. These standards are ASTM D638 and ISO 527. The tensile test performed in this study was performed for ASTM D638 TYPE 1. Test samples in a CAD program are designed in accordance with the standard. Then, the CAD data is converted into STL format. The data in the form of STL format, G-Code was created with the help of a computer program for a three-dimensional printer to generate this data. The data ready for production was produced with a three-dimensional printer. 5 test samples were prepared for each filament produced.
The first tests were carried out for ABS filament without additives. The average values of the results of these samples are taken as reference values. Yield strength, modulus of elasticity, tensile strength and percent elongation values of the samples were obtained through the tests.
The tests continued with test samples made of ABS filaments with carbon fiber powder added. There was an increase in yield strength and tensile strength of all filaments to which three different percentages of carbon fiber powder were added. The modulus of elasticity of the filaments with 1%, 3% and 5% carbon fiber powder added by weight increased. Percentage elongation values obtained for filaments with these three different additive percentages were lower than the percentage elongation value of the ABS filament without additives.
This tensile test was carried out on test samples made of filaments made of a mixture of TPU granules and ABS granules. The yield strength of the ABS filament with 20% and 30% TPU added by weight decreased compared to the pure ABS filament. On the contrary, the yield strength of the ABS filament, to which 10% TPU was added by weight, increased compared to the pure ABS filament. The same situation occurred for the tensile strength of the filaments. When the elasticity modules were examined, there was an increase in module of filament with 10% contribution, while the modulus of the filaments with 20% and 30% contribution decreased. When the percentage elongations were compared, an increase was observed in the percentage elongation of the filament in each additive ratio.
Considering the results in general, a higher yield strength and more rigid composite ABS filament was produced with the carbon fiber powder additive. When the ABS filaments with TPU added are examined, it is seen that more flexible filaments with higher percentage elongation are produced.