Üç boyutlu yazıcılar için polimer nanokompozit filamentlerin 
üretimi ve karakterizasyonu
Production and characterization of polymer nanocomposite 
filaments for 3D printers
Yazar: EBUBEKİR ÇANTI
Danışman: DOÇ. DR. MUSTAFA AYDIN
Dumlupınar Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Eklemeli imalat son yıllarda yaygınlaşarak endüstride de kullanılan bir üretim tekniği
haline gelmiştir. Ergiyik Biriktirmeli İmalat (FDM) tekniği, eklemeli imalat teknikleri arasında
en bilinen ve en yaygın kullanılan tekniklerden birisidir. Fakat bu cihazlarda inşa malzemesi
(filament) olarak kullanılan polimer esaslı malzemelerin yetersiz mekanik özelliklere sahip
olmasından dolayı, teknik genellikle model yapımı ve görsel prototiplerin oluşturulması gibi
kısıtlı uygulama alanlarına sahiptir. Mekanik özellikleri iyileştirilmiş polimer esaslı malzemelerin
geliştirilmesi ile tekniğin yaygınlaşması ve uygulama alanlarının artması sağlanabilir. Çalışmada,
mevcut filamentlere nano/mikro partikül takviyesi yapılarak ticari üç boyutlu yazıcılarla uyumlu
mevcut filamentlerden daha iyi özelliklere sahip kompozit filamentler üretilmiş ve bu filamentler
"Üç Boyutlu Yazıcı" ile yazdırılmıştır. Matris malzemesi olarak Acrylonitrile butadiene styrene
(ABS) seçilirken takviye malzemesi olarak ise ZrB2, SiO2, Çok duvarlı karbon nano tüp
(MWCNTs) ve Al partikülleri kullanılmıştır. Filamentler ve üç boyutlu yazdırılmış numuneler
üzerinde malzeme karakterizasyonu işlemleri yapılmıştır. Eş dönmeli ikiz-vidalı bir ekstrüder
kullanılarak üretilen filamentler üzerinde çekme testi ve yüzey pürüzlülüğü ölçümleri yapılmıştır.
Takviye partiküllerin varlığının ispatlanması için filamentlerin çekme testi sonrası kırık yüzeyleri
üzerinde Enerji-dağılımlı X-ışını spektroskopisi (EDS) ve Taramalı elektron mikroskopu (SEM)
çalışmaları yapılmıştır. Üç boyutlu yazdırılmış numunelerin karakterizasyonu için çekme testi ve
üç nokta eğme testleri yapılmıştır. Testlerin ardından, kırık yüzeyler üzerinde SEM çalışmaları
yapılarak numunelerin hasar davranışları incelenmiştir. Ek olarak, üç boyutlu yazdırılmış
kompozit numuneler üzerinde sertlik testi yapılmış ve sonuçlar takviyesiz numune ile
karşılaştırılmıştır. Netice olarak mikro-partikül takviyesinin 3 boyutlu yazdırılmış numunelerin
birim uzama değerlerini en az %82,5 oranında iyileştirdiği görülmüştür. Bunun yanında nanopartikül takviyesi uzama değerlerini %76'ya varan oranlarda iyileştirirken, çekme değerleri en az
%13,5 oranında iyileşmiştir.

Abstract:
Additive Manufacturing (AM) is becoming an industrial manufacturing standard with
wide-spreading of the related techniques in recent years. Fused Deposition Modeling (FDM) is a
technique which is one of the most well known and most prevalent among other AM techniques.
However, this technique has limited application area including model making and creating visual
mock-ups because of the inadequate mechanical properties of the polymeric materials which are
used as building materials (filament). The technique may widen its application areas by creating
improved building materials. In this work nano/micro particle reinforced filaments with superior
mechanical properties, compatible with commercial FDM devices, were produced successfully
and used as building material in a commercial 3D printer. Acrylonitrile butadiene styrene (ABS)
was chosen as matrix material while ZrB2, SiO2, Multi wall carbon nanotubes (MWCNTs) and Al
particles were used as reinforcement materials. Characterization of the both filaments and 3D
printed samples which had been produced by using these filaments was done in the context of this
work. A co-rotating twin screw extruder was employed for production of the filaments. Tensile
test and the surface roughness measurements were conducted on the filaments subsequently. After
completing of the tensile test Energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) and Scanning electron
microscope (SEM) examinations were conducted on the fractured surfaces of the test samples to
validate presence of the reinforcement particles. For characterization of the 3D printed samples,
tensile test and three-point bending tests were conducted firstly. After that, SEM investigations
were conducted on the fractured surfaces for revealing underlying mechanisms. In addition to
these, hardness-test was applied on the 3D printed samples' surfaces. Results show that
reinforcement of ABS matrix with micro particle improves tensile-strain behavior of the 3D
printed samples at least 82.5%. While nano particle reinforcement resulted with improvement up
to 76% for tensile-strain value, strength of the 3D printed specimens shows at least 13.5%
improvement for nano particle reinforcement.