Eriyik yığma modellemede kullanılan karbon nanotüp takviyeli polimerlerin üretimi, mekanik ve aşınma davranışlarının karakterizasyonu ve modellenmesi
Manufacturing of carbon nanotube reinforced polymers used in fused deposition modelling, characterization and modelling of mechanical and wear behaviors
Yazar: KAMİL FERATOĞLU
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ İLYAS İSTİF
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Konstrüksiyon Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Eklemeli imalat türlerinden biri olan Eriyik Yığma Modelleme havacılık sanayiinde karmaşık geometriye sahip düşük ağırlıklı parçaların üretiminde, mimaride yapısal modellerin üretiminde ve çeşitli elektriksel uygulamalarda kullanılmaktadır. Ancak, bu yöntemde kullanılan saf polimerlerlerin  fonksiyonel olarak kullanılabilmek için mekanik özellikleri yetersiz kalmaktadır. Önceleri eriyik yığma modelleme proses parametrelerinin optimizasyonu ile üretilen parçaların dayınımını arttırılmaya çalışılmıştır. Ancak, son zamanlarda bu teknikte kullanılmak üzere kompozit malzeme geliştirme yoluna gidilmiştir.
Bu tez çalışmasında,  eriyik yığma modellemede en sık kullanılan malzemeler olan polilaktik asit ve akrilonitril bütadin stiren malzemeleri çok duvarlı karbon nanotüpler ile takviye edilerek mekanik ve tribolojik özellikleri karakterize edilmiş ve deney verileri kullanılarak sistem tanılama ile modeller oluşturulmuştur. Üretilen nanokompozit filamentler termogravimetrik analiz ve diferansiyel taramalı kalorimetri analizlerine tabii tutularak termal özellikleri araştırılmıştır. Nanokompozit filamentler kullanılarak eriyik yığma modelleme ile numuneler üretilmiş ve üretilen numunelere sürünme, yükleme-boşaltma ve çekme testleri uygulanarak mekanik ve viskoelastik-viskoplastik özellikleri karakterize edilmiştir. Daha sonra üç boyutlu  basılmış nanokompozit numunelere farklı ortam sıcaklıklarında pin on disk ve ball on disk aşınma testleri uygulanmıştır. Gerçekleştirilen testlerde farklı proses parametreleri ve değişen test koşullarının yanında CNT takviyesinin 3B basılmış nanokompozit numunelerin aşınma ve mekanik davranışları üzerindeki etkileri incelenmiştir. Üretilen numunelerin morfolojisi, taramalı elektron mikroskobu kullanılarak karakterize edilmiştir. Üretilen nanokompozitlerin aşınma ve mekanik davranışlarının öngörüsü için sistem tanılama uygulanarak çok giriş ve tek çıkışlı model yapıları oluşturulmuştur.

Abstract:
Fused Deposition Modeling which is one of the additive manufacturing techniques is used in the aviation industry for the production of low-weight parts with complex geometry, in architecture for the production of structural models, and in various electrical applications. However, the mechanical properties of the pure polymers used in this method are insufficient to be used functionally. Initially, efforts were focused on increasing the strength of parts by optimizing the process parameters. However, in recent years, the development of composite materials has been pursued to be used in this technique.
In this thesis, polylactic acid  and acrylonitrile butadine styrene materials, which are the most frequently used materials in Fused Deposition Modeling were reinforced with multi-walled carbon nanotubes and their mechanical and tribological properties were characterized and models were developed using system identification. Manufactured nanocomposite filaments were subjected to thermogravimetric analysis and differential scanning calorimetry analysis to investigate their thermal properties. Nanocomposite samples were manufactured with fused deposition modeling by using produced filaments and the samples were subjected to creep, loading-unloading and tensile tests to characterize their mechanical and viscoelastic-viscoplastic properties. Then, pin-on-disc wear tests were applied to  printed nano-composite samples at different ambient temperatures. In the tests carried out, the effect of carbon nanotube reinforcement on the wear and mechanical behavior of 3D printed nano-composite samples was investigated, as well as different process parameters and changing test conditions. The morphology of the produced samples was characterized using scanning electron microscopy. Multi-input and single-output model structures were created by applying the system identification procedure to predict the wear and mechanical behavior of the produced nanocomposites.