Büyük hacimli 3 boyutlu yazıcı tasarımı ve eriyik biriktirme yöntemi ile abs polimer matrisli karbon fiber takviyeli kompozitlerin üretim parametrelerinin incelenmesi
Big volume 3 dimensional printer design and investigation of production parameters of abs polymer matrix carbon fiber reinforced composites by fused deposition modeling
Yazar: EFECAN KARAMAN
Danışman: DOÇ. DR. OĞUZ ÇOLAK
Isparta Uygulamalı Bilimler Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine ve İmalat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu çalışmada, büyük baskı hacmine sahip eriyik biriktirme yöntemi esaslı üretim yapacak parametre değişikliğine imkân tanıyan modüler bir eklemeli imalat sisteminin imalatı, yöntemde bulunan farklı üretim parametrelerinin termoplastik ve polimer matrisli kompozit malzemelerin mekanik özelliklerine etkisinin incelenmesi, Sistemin ideal üretim parametrelerinin belirlenmesi ve eklemeli imalatta topoloji optimizasyonu ile tasarlanan parçaların üretilebilirliğinin incelenmesi amaçlanmıştır. 

Bu amaçla çalışmada ilk olarak, büyük boyutlu parçaların yüksek boyutsal hassasiyette üretilebileceği 1000x1000x1000 mm baskı hacmine sahip üç boyutlu yazıcının tasarımı ve imalatı gerçekleştirilmiştir. Bu sistemde termoplastik malzemeler ve karbon fiber takviyeli ABS kompozitlerinin üretimi için beş farklı üretim parametresi ve her parametre için üç farklı seviye belirlenmiş, çekme test numunelerinin üretimi gerçekleştirilmiştir. Test numunelerinin üretiminde, üç farklı üretim açısı (30/-60°, 45/-45°, 90/0°), üç farklı doluluk oranı (%20, %60, %100), üç farklı üretim hızı (20, 40, 60 mm/s), üç farklı nozul sıcaklığı (235, 255, 265 °C) ve üç farklı tabla sıcaklığı (70, 95, 110 °C) kullanılmış ve Taguchi deney tasarımı yapılarak elde edilen mekanik değerlere göre optimal üretim parametreleri tespit edilmiştir. 

Sonuç olarak en iyi mekanik özellikler; %100 doluluk oranı, 30/-60° üretim açısı, 20 mm/s üretim hızı, 255 °C nozul sıcaklığı ve 110 °C tabla sıcaklığında elde edilmiştir. Farklı üretim parametrelerinin parçaların iç yapılarına etkileri, kırık yüzeylerden alınan taramalı elektron mikroskobu görüntüleri ile değerlendirilmiştir. Karbon fiber takviyeli kompozit numunelerde yoğun miktarda gözeneklilik oluşumu ve matris fiber arayüzünde zayıf bağlanma sonucu fiber ayrılmalarının meydana geldiği görülmüştür. Üretimde kullanılan farklı parametrelerin, parçaların katman yapısını, mekanik özelliklerini ve malzeme davranışını önemli oranda etkilediği görülmüştür. Karbon fiber takviyeli kompozit malzemelerden üretilen numunelerde takviyesiz numunelere kıyasla malzemenin çekme dayanımında %12 oranında düşüş görülürken, elastisite modülü %70 oranında artış göstermiştir. Üretim parametreleri ve deneyler sonucu elde edilen mekanik değerler kullanılarak bir kanat kaburga parçasında belirlenen sınır şartları altında topoloji optimizasyonu sonucu 0.71 kg'lık kütle 0.36 kg'a inerek %48.12 oranında kütle azaltımı gerçekleştirilmiştir. Topoloji optimizasyonu yapılmış kanat kaburga parçasının üretimi, karbon fiber takviyeli kompozit malzeme kullanılarak imalatı yapılan büyük baskı hacimli eklemeli imalat sisteminde gerçekleştirilmiştir.

Abstract:
The aim of this study was manufacturing of a modular additive manufacturing system with a large build volume, which allows parameter changes to be made based on fused deposition modeling, investigation of the effects of different process parameters on mechanical properties of thermoplastic and polymer matrix composite materials, determination of the ideal process parameters according to the system and investigation of the fabricability of topology optimized parts in fused deposition modeling. 

With this aim firstly, the design and manufacture of a three dimensional printer with a build volume of 1000x1000x1000 mm, in which large sized parts can be produced with high dimensional accuracy, was realized. In the production of thermoplastic materials and carbon fiber reinforced ABS composites, five different process parameters and three different levels for each parameter were determined and test samples were produced for tensile testing. In the production of test specimens, three different build angles (30 /-60°, 45 /-45°, 90/0°), three different infill density (20%, 60%, 100%), three different print speeds (20, 40, 60 mm/s), three different nozzle temperatures (235, 255, 265 °C) and three different table temperatures (70, 95, 110 °C) were used and optimum process parameters were identified according to the mechanical values obtained by Taguchi experimental design.

Consequently, best mechanical properties were obtained at 100% infill density, 30/-60° build angle, 20 mm/s print speed, 255 °C nozzle temperature and 110 °C table temperature. The effects of different process parameters on the internal structure of the parts were evaluated by scanning electron microscopy images from the fracture surfaces. It was seen that carbon fiber reinforced composite samples had a large amount of pores. It was also found that from the micrographs the adhesion between the fiber and matris was insufficient, which led to fiber pull out from the matrix material. It was observed that the process parameters significantly affect the layer structure of the parts, mechanical properties and material behaviors. In the samples produced from carbon fiber reinforced composite materials, the tensile strength decreased by 12% compared while the modulus of elasticity increased by 70%.compared to the non-reinforced samples. As a result of topology optimization under the boundary conditions determined on a wing rib by using process parameters and mechanical values, the mass decreased from 0.71 kg to 0.36 kg and the mass reduced by 48.12%. Topology optimized wing rib was fabricated by big build volume additive manufacturing system with using carbon fiber reinforced composite materials.