Isıl işlem ve yaşlandırmanın üç boyutlu yazıcı ile üretilen parçaların bağlantı dayanımına etkisinin incelenmesi
Investigation the effects of heat treatment and aging on the joint strength of printed parts via three-dimensional printer
Yazar: FATİH HUZEYFE ÖZTÜRK
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ ÖZKAN ÖZ
Karabük Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Endüstriyel Tasarım Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu tezde Eriyik Yığma Modelleme (EYM) ile üretilen Polilaktik asit (PLA) için yazdırma açısının (0°, 45° ve 90°), yaşlandırmanın ve tavlamanın hasar davranışına ve yapıştırmalı bağlantı dayanımına etkisi deneysel ve sonlu elemanlar analizi (SEA) ile incelenmiştir. Yaşlandırma işlemi, sabit koşullarda ve damıtılmış su ortamında yapılmıştır. Tavlama işlemi, vakumlu fırın ortamında 8 saat süre ile 90°C'de uygulanmıştır. Bağlantı dayanımını değerlendirmek için basit bindirmeli bağlantı (BBB) geometrisi kullanılmıştır. Üretilen numuneler, yaşlandırma ve tavlama işleminden önce ve sonra çekme testine, Termogravimetrik/Diferansiyel Termal Analize (TG-DTA) ve morfolojik analiz için Taramalı Elektron Mikroskobuna (SEM) tabi tutulmuştur. İşlem görmemiş numunelerin ve bağlantıların sonlu eleman modellenmesi için enine izotropik malzeme kabulü ve Hill akma kriteri kullanılmıştır.
   
Çekme test sonuçları, yazdırma açısı arttıkça PLA'nın çekme gerilmesinin ve elastisite modülünün arttığını göstermiştir. Deneysel sonuçlar ile SEA sonuçları karşılaştırıldığında maksimum çekme gerilmesi, elastisite modülü ve maksimum yük değerleri için oldukça yakın değerler elde edilmiş ve yüzde fark değerleri yaklaşık olarak %3,4 hesaplanmıştır. Bağlantının deneysel ve nümerik hasar yükleri karşılaştırıldığında, maksimum ve minimum farklılıklar %38,13 ve %0 olarak hesaplanmıştır.

Yaşlandırma ve tavlama işlemi sonrasında çekme test numunelerinin ve bağlantıların dayanımları artmıştır. Yaşlandırma işlemi sonrası çekme gerilmesindeki artış, işlem yapılmamış numuneye göre 0°, 45° ve 90° için sırasıyla %44,40, %34,14 ve % 21,45 olarak hesaplanmıştır. Tavlama işlemi sonrası çekme gerilmesi işlem görmemiş numuneye göre 0° için %21,22, 45° için %30,28 ve 90° için %5,98 oranında artırmıştır. Yaşlandırma işlemi sonrası bağlantı dayanımındaki artış sırasıyla, 0°, 45° ve 90° için, %17,97, %39,22 ve %17,41 olmuştur. Tavlama işlemi sonrası bağlantı dayanımındaki artış ise sırasıyla 0°, 45° ve 90° için %17,19, %45,75 ve %17,41 olarak hesaplanmıştır.

Sonuç olarak, kullanılan son işleme tekniklerinden tavlama ve yaşlandırmanın, mekanik özellikleri, düşük işlem süresi ve dayanıklılık açısından işlem görmemiş numunelere göre daha avantajlı olduğu görülmüştür. Bu nedenle, bu işlemler, yazdırılmış parçaların dayanımını önemli ölçüde artırmak için düşük maliyetli son işlem yöntemi olarak kullanılabilir. Ayrıca, deneysel ve SEA sonuçlarının genel karşılaştırılması, maksimum çekme gerilmesi, elastisite modülü, maksimum yük ve bağlantı dayanım değeri belirlemede, enine izotropik malzeme kabulünün ve Hill akma kriteri kullanımının uygun olduğunu ortaya koymuştur.

Abstract:
In this thesis, the effects of printing angle (0°, 45° and 90°), aging and annealing on the damage behaviour and adhesively joint strength of Polylactic Acid (PLA) printed by Fused Deposition Modelling (FDM) were investigated by experimentally and finite element analysis (FEA). The aging process was carried out under constant conditions and in a distilled water environment. Annealing was carried out at 90°C for 8 hours in a vacuum oven environment. Single lap joint (SLJ) geometry was used to evaluate the joint strength. The specimens were subjected to tensile testing, Thermogravimetric/Differential Thermal Analysis (TG-DTA) and Scanning Electron Microscopy (SEM) for morphological analysis before and after aging and annealing. Transverse isotropic material acceptance and Hill yield criterion were used for finite element modelling of untreated specimens and joints.
 
The tensile test results showed that the tensile stress and modulus of elasticity of PLA increased as the printing angle increased. When the experimental results and FEA results were compared, similar values were obtained for the maximum tensile stress, modulus of elasticity and maximum load values and the percentage difference were calculated as approximately 3,4%. When the experimental and numerical damage loads of the joint were compared, the maximum and minimum differences were calculated as 38,13% and 0%.

The strength of the tensile test specimens and joints increased after aging and annealing. The increase in tensile stress after aging was calculated as 44,40%, 34,14% and 21,45% for 0°, 45° and 90°, respectively, compared to the untreated specimen. The tensile stress after annealing increased by 21,20 % for 0°, 30,28% for 45° and 5,98% for 90° compared to the untreated specimen. The increase in joint strength after aging was 17,97%, 39,22% and 17,41% for 0°, 45° and 90°, respectively. The increase in joint strength after annealing was calculated as 17,19%, 45,75% and 17,41% for 0°, 45° and 90°, respectively.

As a result, it has been seen that annealing and aging, which are among the post-processing techniques used, are more advantageous than untreated specimens in terms of mechanical properties, low processing time and durability. Therefore, these processes can be used as a low-cost finishing method to increase the strength of printed parts significantly. In addition, the general comparison of the experimental and FEA results revealed that the acceptance of transverse isotropic material and the use of Hill yield criterion are appropriate in determining the maximum tensile stress, modulus of elasticity, maximum load and joint strength value.