Üç boyutlu yazıcılar için ekstrüder tasarımı ve filament üretimi: Dinamik ve mekanik özelliklerin incelenmesi ve karşılaştırılması
Extruder design and filament fabrication for 3D printers: Investigation and comparison of dynamic and mechanical properties
Yazar: ESRA TOPRAK
Danışman: PROF. DR. RAHİME SEDA TIĞLI AYDIN
Zonguldak Bülent Ecevit Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Üç boyutlu baskı, bilgisayar aracılığıyla oluşturulan karmaşık üç boyutlu tasarımları, katman katman üst üste eklenmesi prensibi ile fiziki objelere dönüştüren bir imalat metodudur. Bu metotta, ham madde olarak ısı ile ergiyerek kalıplanabilir hale gelen ve soğuduktan sonra ise katılaşan termoplastik özelliğe sahip üç boyutlu filament kullanılmaktadır. Üç boyutlu baskının ham maddesi olan filamentler ekstrüzyon adı verilen işlem ile üretilmektedir.  Filament ekstrüzyonu genel olarak kovan içerisinde dönen vida ve ısıtıcılar yardımı ile eriyik hale gelen polimerin, kalıbın şeklini almasını sağlayan sistemlerdir. Bu tez kapsamında üç boyutlu yazıcılarda kullanılmak üzere düşük maliyetli ve ticari olarak kolay temin edilebilir malzemeler ile özgün bir tasarıma sahip tek vidalı ekstrüderin imalatı gerçekleştirilmiştir. Tasarımı ve imalatı yapılan filament ekstrüder ile Polilaktik asit (PLA) polimeri kullanılarak farklı ekstrüzyon sıcaklığı ve vida dönüş hızlarında filamentler üretilmiş ve üretilen filamentlerin boyut analizlerinin yanı sıra viskoelastik, termal ve morfolojik özelliklerinin incelenmesi için Dinamik-Mekanik, Diferansiyel Taramalı Kalorimetre ve Taramalı Elektron Mikroskopi analizleri gerçekleştirilmiştir ve tüm bu analiz sonuçlarının, işletme parametreleri üzerindeki etkisi araştırılmıştır. PLA polimeri için 20-30-40 RPM vida dönüş hızlarında ve 170-180-190 °C ekstrüzyon sıcaklıklarında üretilen PLA filamentlerinin boyut analizi sonucunda 1.75 mm olan ticari filament çapına en yakın değer 1.68 mm ile 170 °C ekstrüzyon sıcaklığı ve 40 RPM vida dönüş hızında elde edilmiştir. Filamentlerin SEM görüntülerine göre tüm vida dönüş hızlarında ve tüm ekstrüzyon sıcaklıklarında üretilen filamentlerin yüzeyleri düzgün ve pürüzsüzdür. En iyi viskoelastik özellik gösteren filamentler, 170°C 40 RPM, 190°C 30 RPM ve 190°C 40 RPM işletim parametrelerinde üretilen filamentlerdir. DSC analizi sonucunda elde edilen camsı geçiş sıcaklığı, sabit ekstrüzyon sıcaklığında vida dönüş hızı arttıkça azalırken, erime sıcaklığı ise sabit vida dönüş hızında ekstrüzyon sıcaklığı arttıkça azalmıştır.

Abstract:
Three-dimensional printing is a manufacturing method that transforms complex three-dimensional designs created by computer into physical objects with the principle of layering on top of each other. This method uses a three-dimensional thermoplastic filament as a raw material that softens with heat and becomes mouldable and solidifies after cooling. Filaments, which are the raw materials of three-dimensional printing, are produced by a process called extrusion. Filament extrusion is a system that forces the melted polymer to take the shape of mould with the help of rotating screws and heaters in the barrel. Within the scope of this thesis, a single screw extruder with a unique design is manufactured with low cost and commercially available materials for use in 3D printers. Filaments are produced at different extrusion temperatures and screw rotation speeds by using Polylactic acid (PLA) polymer with the designed and manufactured filament extruder. Dynamic-Mechanical, Differential Scanning Calorimetry and Scanning Electron Microscopy analyzes are carried out to examine the viscoelastic, thermal and morphological properties of the produced filaments as well as size analysis. The effect of all these analysis results on the operating parameters is investigated. As a result of the dimensional analysis of PLA filaments produced at 20-30-40 RPM screw rotation speed and 170-180-190 °C extrusion temperatures for PLA polymer, the closest value to the commercial filament diameter, which is 1.75 mm, is 1.68 mm with an extrusion temperature of 170 °C and 40 RPM screw rotation speed is obtained. According to the SEM images of the filaments, the surfaces of the filaments produced at all screw rotation speeds and all extrusion temperatures are regular and smooth. The filaments with the best viscoelastic properties are those produced at operating parameters of 170°C 40 RPM, 190°C 30 RPM and 190°C 40 RPM. According to the data obtained as a result of the DSC analysis, the glass transition temperature decreased as the screw rotation speed increased at constant extrusion temperature and the melting temperature decreased as the extrusion temperature increased at constant screw rotation speed.