3 boyutlu yazıcı ile üretilen ABS ve karbon fiber takviyeli ABS kompozitlerde üretim parametrelerinin mekanik özelliklere etkisi

Abstract

Son yıllarda 3 boyutlu yazıcı teknolojisi ile parça üretimi hızla yaygınlaşmıştır. Geleneksel üretim yöntemlerine göre son derece karmaşık yapıya sahip parçalar çok kısa sürede, düşük maliyetle, hemen hemen hiçbir atık olmadan kolayca üretilebilmektedir. En yaygın olarak kullanılan 3 boyutlu yazıcı yöntemi ise ergiterek biriktirme yöntemidir (EBY). Ancak bu yöntemle sadece akrolonitril-butadien stiren (ABS) veya polilaktik asit (PLA) gibi termoplastikler kullanılarak üretim yapılabilmektedir. Son yıllarda, istenilen malzeme özelliklerinin elde edilmesi için takviyeli termoplastikler kullanılarak, EBY teknolojisi ile çalışan 3 üç boyutlu yazıcılar ile üretim yapılmaya başlanmıştır. Bu çalışmada ABS ve kırpılmış karbon elyafı takviyeli ticari ABS kompozit filamentler kullanılarak EBY teknolojili 3 boyutlu yazıcı ile üretilen ve farklı yazdırma yönleri ve farklı içyapı doldurma açılarına sahip çekme testi numunelerinin çekme testi sonuçları karşılaştırılmıştır. Çekme testi numuneleri ISO 527-2 Type-1A standardı referans alınarak 3 boyutlu yazıcıda yazdırılmıştır. Test numunelerinin içyapılarının 3 boyutlu yazıcı ile yazdırılması esnasında baskı kafasının izlediği yolun x ekseni ile yaptığı açılar 0o/90o ile +45o/−45o arasında değiştirilerek farklı içyapı doldurma açılarının mekanik özellikler üzerinde etkisi araştırılmıştır. Ayrıca mekanik özelliklerin test parçasının üretim platformu üzerine yerleştirme biçiminin etkisini tespit etmek amacıyla da test numuneleri platform üzerine yatay ve yan kenar şeklinde yerleştirilerek yazdırılmıştır. Normal ABS, aynı doldurma açısına ve aynı yönde üretilen karbon fiber takviyeli ABS'den daha iyi mekanik özelliklere sahip olduğu görülmüştür.

Keywords

• 3 boyutlu yazdırma
• ABS
• karbon fiber takviyeli ABS
• katmanlı üretim

The effect of printing parameters on mechanical properties of ABS and carbon fibre reinforced ABS composites fabricated with 3D printer

Abstract

In recent years, part production has become widespread with 3D printer technology. Compared to traditional production methods, the highly complex parts can be easily produced in a very short time, at low cost, with virtually no waste. The most commonly used 3D printing method is fused deposition modelling (FDM) method. However, only thermoplastics such as Acrylonitrile-butadiene styrene (ABS) or polylactic acid (PLA) can be produced using this method. In recent years, using of reinforced thermoplastics has been started to obtain the desired mechanical properties with 3D printing working with FDM technology. In this study, the tensile test results of tensile test samples fabricated by using the FDM 3D printing method with ABS and short carbon fibre reinforced commercial ABS composite filaments with different build orientation and infill rates were compared. Tensile test samples were printed on a 3D printer with reference to the ISO 527-2 Type-1A standard. During the printing of the internal structure of the test samples with a 3D printer, the angles of the path of the printing head with the x axis were changed between 0/90o and +45o/−45o and it was investigated whether different filling angles had an effect on the mechanical properties or not. In addition, in order to determine whether the orientation of the test samples on the build plate influence the mechanical properties or not, the test samples were placed and printed on the build plate horizontal and on side edge. It is found that neat ABS with the same orientation on the build plate and the same infill angles has better mechanical properties than carbon fibre reinforced ABS.

Keywords

• 3D printing
• composite filament
• carbon fibre reinforced ABS
• additive manufacturing

References

1. Hull, C.W., (1986) Apparatus for production of three-dimensional objects by stereolithography. U.S.Patent 4,575,330 (Publication Date: 3/11/1986; Filing Date 8/8/1984). http://www.google.com/patents/US4575330. (10.06.2014)
2. Crump, S.S., U.S. Patent 5121329, Apparatus and method for creating three dimensional objects, U.S.Class: 364/468, ASSIGNEES: Stratasys, Inc., Minneapolis, MN,(Filed: Oct. 30, 1989 – Date of Patent : Jun. 9, 1992).
3. Liu, Z.G., Wang Y.Q., Wu, B.C., Cui, C.Z., Guo Y., Yan C., A critical review of fused deposition modeling 3D printing technology in manufacturing polylactic acid parts, Int. J. Adv. Manuf. Technol., 102, 2877-2899, (2019).
4. Wang, X., Jiang M., Zhou Z.W., Gou J.H., Hui D., 3D printing of polymer matrix composites: a review and prospective, Compos B. Eng., 110, 442-458, (2017).
5. Mohammed, J.S., Applications of 3D printing technologies in oceanography, Methods Oceanogr, 17, 97-117, (2016).
6. Thompson, M.K., Moroni, G, Vaneker, T., Fadel, G., Campbell, R.I., Gibson, I., et al., Design for additive manufacturing trends, opportunities, considerations, and constraints, CIRP Annals- Manufacturing Technology, 65, 737-760, (2016).
7. Uzun, M., Gür, Y., Usca, Ü.A., Manufacturing of new type curvilinear tooth profiled involute gears using 3D printing, J. BAUN Inst.Sci.Technol., 20(1), 278-286, (2018).
8. Song, Y., Li, Y., Song, W., Yee, K., Lee, K.Y., Tagariell, V.L., Measurements of the mechanical response of unidirectional 3D printed PLA, Materials & Design, 123, 154-164, (2017).

9. Tianyum, Y., Juan, Y., Zichen, D., Kai, Z., Yongbin, Ma., Huajiang, O., Tensile failure strength and separation angle of FDM 3D printing PLA material: experimental and theoretical analyses, Composites Part B Engineering, 188, 107894, (2020).
10. Dizon, J.R.C., Espera, A.H., Chen, Q., Advincula, R.C., Mechanical characterization of 3D-printed polymers, Additive Manufacturing, 20, 44-67, (2018).
11. Gür, Y., Mathematical Modelling and Additive Manufacturing of a Gyroid, Machado, J.A.T., Özdemir, N., Baleanu,D.(Eds.), Mathematical Modelling and Optimization of Engineering Problems, Springer Nature Switzerland AG, Vol. 30, 187-196, (2020).
12. Liu, Z., Lei, Q., Xing, S., Mechanical characteristics of wood, ceramic, metal and carbon fiber-based PLA composites fabricated by FDM, J. Mater. Res. Technol., 8(5), 3741-3751, (2019).
13. Sezer, H.K., Eren, O., Börklü, H.R., Özdemir, V., Karbon fiber takviyeli polimer kompozitlerin ergiyik biriktirme yöntemi ile eklemeli imalatı: fiber oranı ve yazdırma parametrelerinin mekanik özelliklere etkisi, Journal of the Faculty of Engineering and Architecture, 34:2, 663-674 (2019).