3D yazıcılar için polimer esaslı kompozit filament üretimi
Polymer based composite filament production for 3D printers
Yazar: MİKAİL OLAM
Danışman: PROF. DR. NİHAT TOSUN
Fırat Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Konstrüksiyon ve İmalat Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Hidroksiapatitler = Hydroxyapatites ; Titanyum dioksit = Titanium dioxide ; Üç boyutlu yazıcı = Three dimensional printer

Özet:
Günümüzde birçok alanda kullanılan malzemelere yüklenen görevlere her geçen gün artmaktadır. Özellikle canlı organizmalarda tedavi amaçlı kullanılan ürünlerin yelpazesini genişletmek ve yeni ürünlerin üretilmesi oldukça önemlidir. Günümüzde canlı organizmalar ile uyumlu bir şekilde istenilen işlevi yerine getiren ürünlerin birçoğu, 3D yazıcılarda üretilebilmektedir. Canlı organizmaya yerleştirilen bir biyomalzemenin işlevini doğru bir şekilde yerine getirebilmesi için birden fazla özelliğe sahip olması istenmektedir. Bu ihtiyacı karşılayacak birden fazla hammadden oluşan filamentler ile 3D yazıcılarda çeşitli geometrik şekillere sahip parçalar üretilebilir. Böylece hem üretim maliyeti düşmekte hem de arzu edilen özelliklere sahip ürünler elde edilebilmektedir. 
Bu tez çalışması kapsamında, biyouyumluluğu iyi olan Polilaktik Asit (PLA), Hidroksiapatit (HA) ve Titanyum dioksit (TiO2) malzemelerin belli oranlarda karıştırılarak FDM 3D yazıcılarda kullanılmak üzere ekstrüzyon yöntemiyle filamentler üretildi. Daha sonra üretilen bu filamentlerin kullanılarak ISO 527-2 5A standardına uygun çekme numuneleri ve 20x20x20 mm ebatlarında küp numuneler baskı sıcaklığı, kenarlık basma hızı ve iç dolgu hızı gibi 3D baskı parametreleri altında 3D yazıcı ile basıldı. Hem ektrüzyon ile üretilen filamentlerin hem de hazır alınan filamentler ile 3D yazıcıdan elde edilen ürünlerin fiziksel, kimyasal ve mekanik özellikleri tespit edildi. Üretilen 3D baskı örneklerinde yapılan çekme, boyutsal, pürüzlülük, XRD, FTIR, SEM, EDX, DSC ve TGA analizlerde, sentetik HA yerine alternatif olarak doğal HA kullanılabileceği gösterilmiştir. Kompozit filamentler ile yapılan 3D baskılarında %0.5-2 boyutsal sapmalar meydana gelmiştir. Kompozitlere ait 3D baskı örneklerinde en fazla pürüzlülük değeri X eksen düzlemlerinde 14.5 µm, Y eksen düzlemlerinde 16.7 µm ve Z eksen düzlemlerinde 14.2 µm olmuştur. DSC analizine göre kompozitlerin camsı geçiş sıcaklığı 68°C ve erime sıcaklığı 165°C civarında elde edilmiştir. Çekme analizine göre gerilme mukavemeti ve kırılma gerilimi en fazla 220°C baskı sıcaklığı, 2880 mm/dak baskı hızı ile %95 PLA, %4 HA ve %1 TiO2 karışımından elde edildi. Maksimum gerilme 62.4 N/mm2 ve kopma uzaması ise 1.76 mm olarak elde edildi.

Abstract:
Today, the tasks loaded on the materials used in many areas are increasing day by day. Especially in living organisms, it is very important to expand the range of products used for therapeutic purposes or to produce new products. In order for a biomaterial placed in a living organism to function properly, it is desired to have more than one feature. Today, many of the products that fulfill the desired function in harmony with living organisms can be produced in 3D printers. With filaments consisting of more than one raw material to meet this need, parts with various geometric shapes can be produced in 3D printers.
Thus, both the production cost is reduced and products with the desired properties can be obtained. Within the scope of this thesis, filaments were produced by extrusion method by mixing polylactic acid (PLA), hydroxyapatite (HA) and titanium dioxide (TiO2) materials with good biocompatibility in certain proportions to be used in 3D printers. Then, using these produced filaments, tensile samples in accordance with ISO 527-2 5A standard and 20x20x20 mm cube samples were printed with 3D printing parameters under 3D printing parameters such as printing temperature, border printing speed and internal filling speed. The rheological, morphological, physical, chemical and mechanical properties of the filaments produced by extrusion and the product obtained from the 3D printer were determined using ready-made filaments. It has been shown that natural HA can be used as an alternative to synthetic HA in tensile, dimensional, roughness, XRD, FTIR, SEM, EDX, DSC and TGA analyzes performed on the produced 3D printing samples. Dimensional deviations of 3D prints made with composite filaments were occurred 0.5-2%. In 3D printing samples of composites, the highest roughness value was 14.5 µm in X axis planes, 16.7 µm in Y axis planes and 14.2 µm in Z axis planes. According to DSC analysis, the glass transition of the composites was obtained at 68°C and the melting temperature around 165°C. According to the tensile analysis, tensile strength and breaking stress were obtained from a mixture of 95% PLA, 4% HA and 1% TiO2 with a maximum printing temperature of 220°C, a printing speed of 2880 mm/min. The maximum tensile was 62.4 N/mm2 and the elongation to break was 1.76 mm.