Eriyik yığma modelleme ile üretilen ABS ve PLA parçaların mekanik özelliklerinin değişken dolgu oranlarında karakterizasyonu ve sayısal modellemesi
Characterization of mechanical properties and numerical modelling of manufatured by fdm with PLA and ABS parts depending on infill rate
Yazar: ÖVGÜ YAĞIZ ÇİÇEK
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ ATAKAN ALTINKAYNAK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Konstrüksiyon Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Katmanlı üretim, malzeme ekleme yöntemi ile üretim yapan ileri seviye üretim yöntemlerine verilen en genel terimdir. Bu üretim yönteminde parçalar geleneksel üretim yöntemlerinden olan talaşlı üretimin tersine malzeme eksilterek değil malzeme ekleyerek üretim yapar. Bu üretim yöntemi altında farklı malzeme ekleme teknikleri bulunduran teknolojiler vardır. Bunlardan bazıları eriyik yığma modelleme, seçici lazer sinterleme ve streolithografidir. Bu tekniklerde hammadde olarak katı, toz veya sıvı formda malzemeler kullanılarak üretim yapılırken malzeme çeşitliliği olarak da metal, plastik veya seramik malzeme kullanılabilir.
Bu teze konu olan katmanlı üretim teknolijisi eriyik yığma modellemedir. Bu yöntemde plastik hammadeler katı formda kullanılır. Üretim aşamaları özetle şu şekildedir; üretilecek parça bir CAD ortamında oluşturulur, .stl dosya formatında bir dilimleyiciye aktarılır, dilimleyici program kullanıcının belirlediği üretim parametrelerine göre üretim kodlarını oluşturur, oluşturulan üretim kodları cihaza yüklenir ve cihaz parçayı üretir. Parçalar bu yöntemde filament adı verilen, genellikle standart olarak 1.75mm veya 3mm çapta sarılmış rulo halindeki plastikten üretilir. Filament bir motor yardımıyla eritici hazneye beslenir. Filament bu bölümde eriyik hale gelir ve nozuldan akar. Nozuldan akan malzeme hareket kodlarıyla belirlenmiş konumlara katman katman bırakılarak nihayi ürünü oluşturur. Oluşan nihayi ürünün mekanik özellikliklerini, yüzey özelleklirini ve boyutsal toleransını etkileyen bir çok parametre vardır. Bunlardan bazıları katman kalınlığı, dolgu geometrisi, dolgu yoğunluğu, parça basım oryantasyonu ve basım açısıdır. Bu parametreler üretim kodu oluşturulurken kullanıcı tarafından belirlenebilen parametrelerdir.
Bu tezde eriyik yığma modelleme teknoloji kullanılarak PLA ve ABS malzemelerden üretilen parçaların mekanik özelliklerine dolgu oranının etkisi araştırılmıştır. Bu araştırmalar 25, 50, 75 ve 100% dolgu oranına sahip parçalar için gerçekleştirilmiştir. Çalışma 4 aşamadan oluşmaktadır. Deney numunesi üretimi, deneyler, analiz için CAD model oluşturma ve sonlu elemanlar analizleri. Deney numuneleri ISO527 plastik malzemelerin mekanik özelliklerinin tespiti standartına uygun 1A tipinde tasarlanmıştır. Deney numuneleri her bir dolgu oranından 5 adet olacak şekilde 20 adet PLA ve 20 adet ABS olarak üretilmiştir. Üretilen numuneler ISO527 standardında geçtiği gibi 5mm/dk hızda Shimadzu AG-CI çekme cihazında çekilmiştir. Deneyler sonucunda oluşan veriler sonlu elemanlar analizinde kullanılmaya uygun şekilde manipüle edilmiştir. Sonlu elemanlar analizlerinde kullanılacak CAD dosyaları, üretim kodlarından elde edilen nokta bulutundan üretilen parçanın tamamen aynısı olacak şekilde tekrardan tasarlanmıştır. Oluşturulan CAD dosyaları sonlu elemanlar analizi yöntemiyle sayısal olarak modellenmiştir. Sonlu elemanlar analizi için ANSYS Workbench programı kullanılmıştır. Analiz modeli dinamik nonlineer olarak kurulmuştur. Gerçek testlere uygunluk için yükleme koşulu olarak kuvvet değil, sınır koşulu olarak hız uygulanmıştır. Malzeme bilgileri deneylerden elde edilen veriler kullanılarak Hiperelastik Mooney-Rivlin Modeli ile oluşturulmuştur. Her malzeme için tüm doluluk oranlarına ayrı ayrı sonlu elemanlar analizi yapılmıştır. Çalışma kapsamında yapılan tüm deneylerin ve sonlu elemanlar analizlerinin sonuçları tez içerisinde sunulmuştur.

Abstract:
Additive manufacturing is the most general term for advanced manufacturing methods with material adding. In this method, the parts are produced by adding material instead of reducing material used in machining which is one of the traditional production methods. There are technologies that involve different material addition techniques such as fused deposition modelling, selective laser sintering and streolithography in this manufacturing method. In these techniques, materials such as solid, powder or liquid can be used as raw material, while metal, plastic or ceramic material can be used as material variety.
The method that is the subject of this thesis is fused deposition modelling. In this method, plastic raw materials are used in solid form. The production stages are summarized as follows; The part to be produced is created in a CAD platform, transferred to a slicer in .stl file format, the slicer program generates production codes according to the user-defined production parameters, the generated production codes are uploaded to the device and finally the device generates the part. In this method the parts are made of roll plastic, which is called a filament, usually wrapped in a diameter of 1.75mm or 3mm. The filament is fed to the melter chamber with the help of a motor. The filament becomes melt in this section and flows through the nozzle. The material flowing from the nozzle creates the final product by leaving a layer to positions determinated by motion codes. There are many parameters that affect the mechanical, surface properties and dimensional tolerance of the final product. Some of these are layer thickness, filling geometry, filling density, part printing orientation, and printing angle. These parameters are user-definable parameters when generating manufacturing code.
In this thesis, the effect of filling ratio on the mechanical properties of the parts which produced from PLA and ABS materials has been investigated by using fused deposition modelling technology. These investigations are realized for parts with 25%, 50%, 75% and 100% filling ratio. The study consists of 4 steps. These steps are in order to experimental sample production, experiments, CAD model creation and finite element analysis. Test specimens are designed in Type 1A according to ISO527 standard for the determination of mechanical properties of plastic materials. The test samples are produced as 20 PLA and 20 ABS as 5 pieces per filling ratio. The produced samples are taken in Shimadzu AG-CI tensile testing device at 5mm/min as they passed ISO527 standard. The results of the experiments have been manipulated to be used in finite element analysis. The CAD files which will be used for finite element analysis have been redesigned to be exactly the same as the part produced from the point cloud generated from the production codes. The CAD files generated were numerically modeled by finite element analysis method. ANSYS Workbench program was used for finite element analysis. The analysis model was set up as dynamic nonlinear. For compliance with real tests, the speed is applied as a boundary condition, not the force as the loading condition. Material information was created using the data obtained from the experiments with the Hyperelastic Mooney-Rivlin model. For each material, finite element analysis was performed at all filling ratios. The results of all experients and finite element analysis were presented in the thesis.