Katmanlı imalat yöntemiyle üretilen polimerik malzemelerin sıcaklığa bağlı anizotropik elastik davranışının karakterizasyonu ve modellenmesi
Characterization and modeling of temperature dependent anisotropic elastic behavior of polymeric materials produced by additive manufacturing
Yazar: KUBİLAY ÖNGİDER
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ ALPEREN ACAR
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Konstrüksiyon Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Anizotropi = Anisotropy ; Gözeneklilik = Porosity ; Sıcaklık = Temperature

Özet:
Katmanlı imalat, üretilecek parça geometrisinin bilgisayar programları yardımıyla dilimlenmesi ve sonrasında bu dilimlerin katmanlar şeklinde üst üste eklenerek imal edilmesi esasına dayanmaktadır. Bu imalat ile, metodun doğası gereği oluşan anizotropi ve gözeneklilik davranışı karşımıza çıkmaktadır. Bunun yanı sıra parçanın çalışma sıcaklığı ve yöntemde kullanılan üretim parametreleri de üretilen parçanın mekanik dayanımını etkilemektedir. Polimerler üzerinde yapılacak bu çalışmada Ergiyik Yığarak Modelleme yöntemi ve bu yöntem ile üretilen parçaların sıcaklık değişimi ve dinamik mekanik özelliklerini bir arada veren depolama modülü incelenmiştir. Bu yöntem ile Akrilonitril Bütadiyen Stiren (ABS) malzemesi kullanılarak dinamik mekanik analiz (DMA) testlerinde kullanılacak numuneler (üç farklı imal yönü ve üç farklı katman kalınlığında) üretilmiştir. Bu numuneler DMA testlerinde kullanılmış ve depolama modülü değerlerini içeren deneysel veriler elde edilmiştir. Literatürde polimerlerin farklı sıcaklık ve şekil değiştirme hızları için, depolama modülünü tahmin etmeyi amaçlayan modeller bulunmaktadır. Bununla birlikte tek eksen üzerinde çalışan bu modeller katmanlı imalat ile üretilen malzemelerin anizotropi durumunu karşılamamaktadır. Bu sebeple polimerler için tek eksenli bir şekilde hesaplama yapabilen bir model, Genelleştirilmiş Hooke Kanunu kullanılarak anizotropik hal için çok eksenli bir şekilde hesaplama yapabilen bir modele dönüştürülmüştür. Gözeneklilik davranışının hesaplanabilmesi için literatürdeki gözeneklilik modelleri arasından, parametrenin davranışına uygun bir model katman kalınlığı parametresi için düzenlenmiş ve önerilen modele bir fonksiyon olarak eklenmiştir. Elde edilen son model ergiyik yığarak modelleme yöntemi kullanılarak üretilmiş parçalardaki anizotropik katılık matrisini, farklı katman kalınlıklarında ve değişen sıcaklık değerlerinde tahmin edebilmektedir. Modelin doğrulanması için deneysel çalışmalar ve model tahminleri karşılaştırılmıştır. Elde edilen sonuçlara göre deneysel sonuçlar ve model arasında olumlu bir ilişki olduğu gözlemlenmiştir.

Abstract:
Additive manufacturing is based on slicing the part geometry with computer programs and then manufacturing these slices by adding layers on top of each other. With this fabrication, anisotropy and porosity behavior occurs due to the methods nature. In addition, the process temperature and the production parameters also affect the mechanical strength. In this study, the Fused Deposition Modeling and the storage module were examined. With this method, samples (three different manufacturing directions and three different layer thicknesses) were produced with ABS material. These samples were used in DMA tests and experimental data were obtained. There are models in the literature that aim to predict the storage modulus for different temperatures and strain rates of polymers. However, these models working on a single axis and do not meet the anisotropy condition of the materials produced by FDM. For this reason, a model that can calculate uniaxially for polymers has been transformed into a model that can calculate multiaxially for the anisotropic state by using the Generalized Hooke's Law. In order to calculate the porosity behavior, a model suitable for the behavior of the parameter among the porosity models in the literature was arranged for the layer thickness parameter and added as a function to the proposed model. The final model can predict the anisotropic stiffness matrix of the parts produced using the fused deposition modeling method at different layer thicknesses and varying temperature values. When the experimental results and model results were compared, a positive relationship was observed between them.