Bağlayıcı püskürtmeli metal eklemeli imalatta bağlayıcıların mekanik özelliklere etkisi
Effect of binders on mechanical properties in binder jetting metal additive manufacturing
Yazar: OSMAN SALTIK
Danışman: PROF. DR. ABDULLAH ÖZSOY ; PROF. DR. MEHMET CENGİZ KAYACAN
Süleyman Demirel Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Endüstri 4.0 devrimi ile yeni imalat yöntemlerinin geliştirilmesi sayesinde geleneksel imalat yöntemlerinde karşılaşılan bir kısım dezavantajlara çözüm bulunmuştur. Yeni imalat yöntemlerinden birisi de Bağlayıcı Püskürtmeli Eklemeli İmalat yöntemidir. Bu yöntemde temel olarak iki hammadde kullanılmaktadır. Bunlardan ilki toz hammadde, diğeri ise Organik veya İnorganik bileşenlerden oluşan bağlayıcıdır. Henüz yeni ve gelişmekte olan bir imalat yöntemi olmasından dolayı, yapılan çalışma sayısı da kısıtlıdır. Diğer taraftan ticari firmaların kısıtlı oranda bilgi paylaşımı yapması bilimsel araştırmalar için dar olanaklar sunmaktadır.

Bağlayıcı Püskürtmeli Eklemeli İmalat yönteminde kullanılan bağlayıcılar, katı veya sıvı formdadır. Sıvı formda olan bağlayıcılar genel olarak bağlayıcı madde ve kimyasalların karışımından oluşmaktadır. Sıvı formda olan bağlayıcılar toz üzerine bağlayıcı püskürtme kartuşu ile seçici bir şekilde püskürtülmektedir. Bağlayıcıların kartuştan püskürtülebilmesi için reolojik özelliklerinin (pH, viskozite, yüzey gerilimi vb.) kartuşun teknik veri aralığında olması gerekmektedir. Bundan dolayı da sıvı formda olan bağlayıcılar çeşitli kimyasal malzemeler ve bağlayıcı maddenin belirli şartlarda karıştırılması sonucunda elde edilmektedir. Çalışmada 40 mililitre sıvı kapasitesine sahip bağlayıcı püskürtme kartuşu kullanılmıştır. 

Bu tez kapsamında, çeşitli kimyasal maddeler kullanılarak yöntem için potansiyel bağlayıcılar oluşturulmuştur. Bu bağlayıcılar kullanılarak Bağlayıcı Püskürtmeli Metal Eklemeli İmalat yöntemi ile numuneler imal edilmiştir. Bu numuneler üzerinde eğme ve basma testleri gerçekleştirilmiştir. İmalatta metal toz hammadde olarak SS316L tozu kullanılmıştır. Numunelerin taşınmasına yetecek kadar ham mukavemetin elde edilmesi için kürleme şartları tespit edilmiştir. Bağlayıcı arındırma şartlarının belirlenmesi için Termogravimetrik analizler yapılmıştır. Bağlayıcıların mekanik özelliklere etkisinin incelenebilmesi için ham numuneler üzerinde üç nokta eğme dayanım testi, basma dayanım testi ve yoğunluk ölçümü, sinterlenmiş numuneler üzerinde basma dayanım testi, yoğunluk ve mikrosertlik ölçümleri ile karbon analizi yapılmıştır. Ayrıca optik ve taramalı elektron mikroskobuyla yapılan incelemelerle kompozisyon oranları ve numunelerin kırınım desenlerinin analizleri de yapılmıştır.

Çalışmada yedi farklı bağlayıcı madde kullanılmış ve iki bağlayıcı madde ile ayrı ayrı oluşturulan bağlayıcılardan olumlu sonuçlar elde edilmiştir. Elde edilen sonuçlar literatür sonuçları ile karşılaştırılmıştır.

Abstract:
With the development of new manufacturing methods with the Industry 4.0 revolution, solutions have been found for some of the disadvantages encountered in traditional manufacturing methods. One of these new manufacturing methods is the Binder Jetting Additive Manufacturing method. In this method, two raw materials are used. The first of these is the powder raw material and the other is the binder consisting of Organic or Inorganic components. Since it is a new and developing manufacturing method, the number of studies made is limited. Beside this, limited information sharing by commercial companies provides narrow opportunities for scientific research.

In the Binder Jetting Additive Manufacturing method, the binders used are in either solid or liquid form. Liquid binders generally consist of a mixture of adhesives and chemicals. Liquid binders are selectively sprayed onto the powder using a binder inkjet cartridge. For the binders to be sprayed from the cartridge, their rheological properties (pH, viscosity, surface tension, etc.) must fall within the technical specifications of the cartridge. Therefore, liquid binders are obtained through the mixing of various chemical materials and adhesives under specific conditions. In this study, a binder jetting cartridge with a capacity of approximately 40 milliliters of liquid was utilized.

In this thesis, potential binders for the method were created using various chemicals. Using these binders, samples were manufactured using the Binder Jetting Metal Additive Manufacturing method. Bending and compression tests were conducted on these samples. In manufacturing process SS316L powder was used as metal powder raw material. The curing conditions have been determined to achieve sufficient green strength for the transportation of the samples. Thermogravimetric analyzes were performed to determine debinding conditions. To examine the effect of binders on mechanical properties, three-point bending strength test, compressive strength test and density measurement were performed on raw samples, compressive strength test, density and microhardness measurements and carbon analysis were performed on sintered samples. In addition, composition ratios and diffraction patterns of the samples were analyzed through optical and scanning electron microscopy.

Seven different adhesives were used in the study and positive results were obtained from binders created separately with two adhesives. The results obtained were compared with the recent literature results.