Kafes yapıların malzeme ekstrüzyonu ile üretimindendolayı çekme testi sonuçlarında oluşan belirsizliklerinincelenmesi
Investigation of uncertainties in tensile test results due tothe material extrusion-based production of latticestructures
Yazar: TARIK CAN TÜRKOĞLU
Danışman: DOÇ. DR. RECEP MUHAMMET GÖRGÜLÜARSLAN
TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mikro ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Teknolojinin sürekli gelişimiyle birlikte, malzeme ekstrüzyonuna dayalı bir eklemeli
imalat yöntemi olan ergiyik filament fabrikasyonu (EFF), mühendislikten tıbba kadar
çeşitli alanlarda geniş bir kullanım alanı bulmuştur. 3 boyutlu (3B) baskı teknolojisi
olarak da bilinen bu yöntem, tasarım esnekliği, maliyet etkinliği ve malzeme israfını
azaltma gibi önemli avantajlar sunmaktadır. Bu teknoloji, geleneksel üretim
yöntemlerine kıyasla daha karmaşık ve özgün tasarımların oluşturulmasına olanak
tanıyarak, özellikle otomotiv, havacılık ve biyomedikal mühendislik gibi sektörlerde
yenilikçi çözümler sunmaktadır. Ayrıca, hızlı prototipleme yetenekleri sayesinde
tasarım süreçlerini hızlandırarak üretim döngülerini kısaltmaktadır.
Son yıllarda 3B yazıcı teknolojilerindeki hızlı ilerlemeler, endüstriyel üretim
süreçlerinde devrim yaratarak, daha hafif ve dayanıklı yapıların geliştirilmesine
olanak sağlamıştır. Bu bağlamda, biyobozunur bir termoplastik polimer olan
polilaktik asit (PLA) kullanılarak EFF yöntemiyle üretilen kafes yapılar, yenilikçi
tasarımları ve çok yönlü uygulama potansiyelleriyle dikkat çekmektedir. Kafes
yapılar, malzeme kullanımını optimize ederek yüksek performans ve düşük ağırlık
8
gereksinimlerini karşılamak üzere tasarlanmıştır. Özellikle araç gövdeleri, çarpışma
enerjisi emilimi için tasarlanmış yapılar ve biyomedikal implantlar gibi kritik
alanlarda başarılı sonuçlar elde edilmiştir.
Bununla birlikte, EFF ile üretilen kafes yapıların mekanik özelliklerinde görülen
belirsizlikler, bu yapıların tasarım ve üretim süreçlerini etkileyen önemli bir faktör
olarak karşımıza çıkmaktadır. Bu çalışma, PLA kullanılarak EFF yöntemiyle üretilen
tek kafes hücrelerinin çekme testi altındaki mekanik özelliklerindeki belirsizlikleri
incelemeyi amaçlamaktadır. Araştırmada, üretim maliyetlerini minimize etmek için
tek kafes hücreli numuneler kullanılmış ve iki farklı numune tasarımı geliştirilmiştir.
İlk tasarımda, yüksek mukavemetli yapıştırıcıyla sabitlenen hücreler, ikinci
tasarımda ise PLA'dan üretilen bütünleşmiş fikstürler kullanılmıştır. Çekme testleri
sırasında deformasyon davranışları kamera görüntüleriyle detaylı olarak analiz
edilmiş ve mekanik özellikler üzerindeki olasılık dağılım fonksiyonları incelenmiştir.
Elde edilen sonuçlar, farklı kafes türleri ve çubuk çaplarının mekanik özellikler
üzerindeki etkilerini ortaya koymuş ve bu yapıların tasarım ve üretim süreçlerinde
daha yüksek güvenilirlik ve performans elde edilmesine yönelik önemli bulgular
sunmuştur. Özellikle otomotiv, havacılık ve biyomedikal alanlarda EFF ile üretilen
kafes yapıların kullanımı, bu sektörlerin ihtiyaçlarına yönelik etkili çözümler sunarak
dikkat çekmektedir. Araştırma sonuçları, EFF yönteminin gelecekte daha karmaşık
ve dayanıklı yapıların geliştirilmesine olanak tanıyacak potansiyele sahip olduğunu
göstermektedir. Böylelikle hem mühendislik hem de biyomedikal uygulamalarda, bu
teknolojinin kullanımının artması beklenmektedir. EFF ile üretilen kafes yapıların
mekanik özelliklerindeki belirsizliklerin anlaşılmasını sağlayarak, bu belirsizliklerin
kontrol edilmesi ve optimize edilmesine yönelik yol gösterici bir kaynak oluşturmayı
hedeflemektedir. Araştırma, endüstriyel uygulamalarda daha verimli, hafif ve
dayanıklı çözümler geliştirilmesine katkıda bulunmayı amaçlamaktadır.

Abstract:
With the continuous development of technology, material extrusion-based additive
manufacturing, also known as fused filament fabrication (FFF), has found
widespread use in various fields ranging from engineering to medicine. This method,
also referred to as 3 dimensional (3D) printing technology, offers significant
advantages such as design flexibility, cost efficiency, and the reduction of material
waste. Compared to traditional manufacturing methods, this technology enables the
creation of more complex and unique designs, providing innovative solutions
especially in sectors such as automotive, aerospace, and biomedical engineering.
Furthermore, its rapid prototyping capabilities accelerate design processes and
shorten production cycles.
In recent years, the rapid advancements in 3D printing technologies have
revolutionized industrial production processes, enabling the development of lighter
and more durable structures. In this context, lattice structures produced using the FFF
method with polylactic acid (PLA), a biodegradable thermoplastic polymer, stand out
with their innovative designs and versatile application potential. These structures are
11
designed to optimize material use while meeting high-performance and low-weight
requirements. Particularly in critical applications such as vehicle bodies, energy
absorption structures, and biomedical implants, significant successes have been
achieved.
However, uncertainties observed in the mechanical properties of lattice structures
produced via FFF, particularly in parameters such as tensile strength and stiffness,
pose a major challenge to their design and production processes. This study aims to
examine the uncertainties in the mechanical properties of single lattice cells
manufactured using PLA through FFF under tensile testing. To minimize production
costs, single-cell samples were used, and two different designs were developed. The
first design employed cells fixed with high-strength adhesives, while the second
incorporated integrated fixtures made of PLA. Deformation behaviors were
thoroughly analyzed using video recordings captured during tensile tests, and
probability distribution functions were applied to the mechanical property data.
The findings revealed the effects of different lattice types and strut diameters on
mechanical properties, providing significant insights for achieving higher reliability
and performance in the design and production processes of these structures. The use
of lattice structures produced via FFF, particularly in the automotive, aerospace, and
biomedical sectors, has proven to be an effective solution addressing the specific
needs of these industries. The results of the study suggest that the FFF method has
the potential to facilitate the development of more complex and durable structures in
the future, increasing its adoption in both engineering and biomedical applications.
This study aims to provide a comprehensive understanding of the uncertainties in the
mechanical properties of lattice structures produced via FFF, guiding the control and
optimization of these uncertainties. The research contributes to the development of
more efficient, lightweight, and durable solutions in industrial applications.