Ergiyik Yığma Yöntemi ile Üretilen PLA Kompakt Çekme Numunelerinin Kırılma Davranışına İmalat Parametrelerinin Etkisinin Belirlenmesi

Abstract

Eklemeli imalat, katman katman malzeme ekleyerek nesnelerin üretildiği bir üretim sürecidir. Geleneksel imalat yöntemlerinden farklı olarak eklemeli imalat, dijital üç boyutlu (3D) model verilerini kullanarak katmanları bir araya getirir. Katmanların biraraya getirilmesinde belirlenmesi gereken çok sayıda değişken söz konusudur. Her bir değişkenin üretilecek nesnenin özellikleri üzerinde etkisi bulunmaktadır. Bu özellikleriden bir tanesi de bir başlangıç çatlağı varlığında malzemenin çatlak ilerleme ve kırılma davranışıdır. Bu çalışmada, ergiyik yığma yöntemi ile üretilen polilaktik asitin (PLA) mod I kırılma davranışına eklemeli imalat parametrelerinin etkileri deneysel olarak incelenmiştir. Çalışmada, örgü türü, doluluk oranı, örgü açısı gibi önemli imalat parametrelerini ve çatlak uzunluğu gibi kritik bir geometrik durumu değişken olarak ele alınarak her bir değişkenin PLA malzemesinin kırılma davranışı üzerindeki etkileri üç seviyede incelenmiştir. Örgü açısı ve örgü türü, malzemenin tabakaları arasındaki ilişkiyi belirleyen önemli faktörlerdir. Doluluk oranı, malzemenin iç yapısındaki boşlukları belirlemektedir. Çatlak uzunluğu ise malzeme dayanıklılığını ve yapısal bütünlüğünü etkileyen olası bir hasar durumunu modelleyen temel bir faktördür. Tüm bu değişkenler üç farklı seviyede ele alınıp PLA malzemesinin mod I kırılma davranışı mukayeseli şekilde belirlenmiştir. Elde edilen yük-yer değiştirme eğrileri ile her bir test koşuluna ait kırılma tokluğu hesaplanmış ve tüm değişken ve seviyelerin sonuçlar üzerindeki etkisi Taguchi eniyileme yöntemi ile tayin edilmiştir.

Keywords

• eklemeli imalat
• ergiyik yığma yöntemi
• kırılma tokluğu
• mod I
• PLA
• Taguchi eniyilemesi

Supporting Institution

TÜBİTAK

Project Number

1919B012328864

Ethical Statement

Hazırlanan makalede etik kurul izni alınmasına gerek yoktur.

Thanks

Bu çalışma, TÜBİTAK Bilim İnsanı Destek Programları Başkanlığı (BİDEB) tarafından yürütülen, 2209-A Üniversite Öğrencileri Araştırma Projeleri Destekleme Programı kapsamında 1919B012328864 başvuru numarası ile desteklenmiştir.

Determination of Manufacturing Parameters Effect on Fracture Behavior of PLA Compact Tension Specimens Produced by Fused Deposition Modeling

Abstract

Additive manufacturing is a production process in which objects are manufactured by adding material layer by layer. Unlike conventional manufacturing methods, additive manufacturing assembles layers using digital three-dimensional (3D) model data. There are numerous variables that need to be determined in the assembly of layers. Each variable has an influence on the properties of the object to be produced. One of these properties is the crack propagation and fracture behavior of the material in the presence of an initial crack. In this study, the effects of additive manufacturing parameters on Mode I fracture behavior of polylactic acid (PLA) produced by fused deposition modeling method were experimentally investigated. In the study, the effects of each variable on the fracture behavior of PLA material were examined at three levels by considering important manufacturing parameters such as infill pattern, infill density, and raster angle, as well as a critical geometric condition such as crack length. Raster angle and infill pattern are important factors that determine the relationship between the layers of the material. Infill density determines the voids in the internal structure of the material. Crack length is a fundamental factor that models a potential damage condition affecting material strength and structural integrity. All these variables were considered at three different levels, and the Mode I fracture behavior of PLA material was determined comparatively. Fracture toughness for each test condition was calculated using the obtained load-displacement curves, and the effect of all variables and levels on the results was determined by the Taguchi optimization method.

Keywords

• additive manufacturing
• fused deposition modeling
• fracture toughness
• mode I
• PLA
• Taguchi optimization

Supporting Institution

TÜBİTAK

Project Number

1919B012328864

Ethical Statement

No ethics committee approval was required for the preparation of this manuscript.

Thanks

This study was supported by the Scientific and Technological Research Council of Turkey (TÜBİTAK), Directorate of Science Fellowships and Grant Programs (BİDEB), under the 2209-A University Students Research Projects Support Program with application number 1919B012328864.

References

1. [1] B. Yalçin, B. Ergene, and G. Tarihi, “Endüstride yeni eğilim olan 3-D eklemeli imalat yöntemi ve metalurjisi,” Int. J. Technol. Sci., vol. 9, no. 3, pp. 65-88, 2017.
2. [2] E. Emir, “Investigation of burr formation and circularity error in drilling of PLA produced at different printing temperatures with machine learning-based prediction,” Dicle Univ. Eng. Fac. J., vol. 16, no. 2, pp. 421–429, Jun. 2025, doi: 10.24012/dumf.1656898.
3. [3] B. Ergene, İ. Şekeroğlu, Ç. Bolat, and B. Yalçın, “An experimental investigation on mechanical performances of 3D printed lightweight ABS pipes with different cellular wall thickness,” J. Mech. Eng. Sci., vol. 15, no. 2, pp. 8169-8177, 2021, doi: 10.15282/jmes.15.2.2021.16.0641.
4. [4] A. Ghaznavi Youvalari, J. Alizadeh Kaklar, and M. Mohamadi, “Investigation of mechanical properties in PLA, ABS and epoxy resin parts fabricated by 3D printing technology,” Sci Rep, vol. 15, no. 1, pp. 1-16, 2025, doi: 10.1038/s41598-025-13866-8.
5. [5] S. Farah, D. G. Anderson, and R. Langer, “Physical and mechanical properties of PLA, and their functions in widespread applications — A comprehensive review,” Adv. Drug Deliv. Rev., vol. 107, pp. 367-392, 2016. doi: 10.1016/j.addr.2016.06.012.
6. [6] X. Wang et al., “Research progress in polylactic acid processing for 3D printing,” J. Manuf. Process., vol. 112, pp. 161–178, Feb. 2024, doi: 10.1016/J.JMAPRO.2024.01.038.
7. [7] V. Arikan, “Effects of infill patterns and densities on crack propagation behavior in additive manufactured parts: a comparative study,” Mater. Test., vol. 65, no. 11, 2023, doi: 10.1515/mt-2023-0192.
8. [8] Y. Feng, D. Wu, M. G. Stewart, and W. Gao, “Past, current and future trends and challenges in non-deterministic fracture mechanics: A review,” Comput. Methods Appl. Mech. Eng., vol. 412, p. 116102, Jul. 2023, doi: 10.1016/J.CMA.2023.116102.

9. [9] J. Gardan, A. Makke, and N. Recho, “Improving the fracture toughness of 3D printed thermoplastic polymers by fused deposition modeling,” Int. J. Fract., vol. 210, no. 1–2, pp. 1–15, Mar. 2018, doi: 10.1007/s10704-017-0257-4.
10. [10] A. Zolfagharian, M. R. Khosravani, and A. Kaynak, “Fracture resistance analysis of 3D-printed polymers,” Polymers (Basel), vol. 12, no. 2, Feb. 2020, doi: 10.3390/polym12020302.
11. [11] M. R. Ayatollahi and B. Saboori, “A new fixture for fracture tests under mixed mode I/III loading,” Eur. J. Mec.- A, Solids, vol. 51, pp. 67–76, May 2015, doi: 10.1016/j.euromechsol.2014.09.012.
12. [12] C. Valean et al., “The effect of crack insertion for FDM printed PLA materials on Mode I and Mode II fracture toughness,” in Procedia Structural Integrity, vol. 28, pp. 1134-1139, 2020. doi: 10.1016/j.prostr.2020.11.128.
13. [13] A. R. Kafshgar, S. Rostami, M. R. M. Aliha, and F. Berto, “Optimization of Properties for 3D Printed PLA Material Using Taguchi, ANOVA and Multi-Objective Methodologies,” in Procedia Structural Integrity, vol. 34, pp. 71-77, 2021. doi: 10.1016/j.prostr.2021.12.011.
14. [14] L. Marșavina et al., “Effect of the manufacturing parameters on the tensile and fracture properties of FDM 3D-printed PLA specimens,” Eng. Fract. Mech., vol. 274, p. 107766, Oct. 2022, doi: 10.1016/j.engfracmech.2022.108766.
15. [15] U. Kizhakkinan, D. W. Rosen, and N. Raghavan, “Experimental investigation of fracture toughness of fused deposition modeling 3D-printed PLA parts,” Mater. Today Proc., vol. 70, pp. 631-637, 2022, doi: 10.1016/j.matpr.2022.10.014.
16. [16] M. R. Khosravani and T. Reinicke, “Effects of printing parameters on the fracture toughness of 3D-printed polymer parts,” Procedia Structural Integrity, vol. 47, pp. 454-459, 2023, doi: 10.1016/j.prostr.2023.07.079.
17. [17] B. Karakoç and G. Uzun, “Ergiyik Yığma Modelleme Yöntemi ile Üretilen Numunelerde Örme Yönteminin ve Baskı Yönünün Mukavemete Olan Etkisi,” J. Polytech., vol.27, no. 4, pp. 1233-1242, 2023, doi: 10.2339/politeknik.1262855.
18. [18] Ç. Bolat and B. Ergene, “An Experimental Effort on Impact Properties of Poly(lactic acid) Produced by Additive Manufacturing,” Duzce Univ. J. Sci. Technol., vol. 11, pp. 998–1013, 2023.
19. [19] M. Şirvancı, Kalite için Deney Tasarımı “Taguçi Yaklaşımı.” İstanbul: Literatür Yayıncılık, 2011.
20. [20] ASTM D 5054, “Standard Test Methods for Plane-Strain Fracture Toughness and Strain Energy Release Rate of Plastic Materials,” ASTM Book of Standards, vol. 99, 2013.