EKLEMELİ İMALAT İLE DEMİR KATKILI FİLAMAN ÜRETİMİ İÇİN EKSTRÜZYON CİHAZININ TASARIMI, İMALATI VE CİHAZIN TERMAL ANALİZİ

Year 2024, Volume: 8 Issue: 3, 459 - 467, 30.12.2024

Barış Günenç , Ertuğrul Durak

https://doi.org/10.46519/ij3dptdi.1571711

Abstract

Eklemeli imalat, malzeme ve imalat teknolojilerinin ilerlemesiyle her geçen gün farklı özellikte makine parçalarının üretilmesine olanak tanımaktadır. Farklı katkı maddelerini içeren yazıcı filamanları ile imal edilen parçaların mekanik, termal, kimyasal ve manyetik vb. özelliklerinde iyileşmeler elde edilmektedir. Bu çalışmada, katkılı filaman üretimine uygun ekstrüderlerin özelliklerinin daha iyi tanımlanabilmesi ve bu konuda yapılacak bilimsel çalışmalara kaynak oluşturabilmesi amacıyla, üç boyutlu yazıcılarda kullanılmaya uygun, katkılı filaman ekstrüzyonu yapabilecek bir ekstrüder tasarımı gerçekleştirilmektedir. Çalışmanın kapsamı; ekstrüder milinin seçimi, tahrik iletim ve yataklama elemanlarının belirlenmesi, kovan ve nozul sistemine ısıtıcı bantların yerleştirilmesi, PID kontrol sistemiyle istenen sıcak değerlerinin yönetilmesi, Solidworks programı kullanılarak termal simülasyonunun yapılması ve termal görüntüleme kamerası yardımıyla gerçek değerlerin simülasyon sonuçlarıyla kıyaslanması gibi adımları içermektedir. Kurulan deney düzeneğinde bulunan kovan gövdesindeki ısıtma bölgelerinin zamana bağlı sıcaklık değişim grafikleri oluşturulmakta ve incelenmektedir. Yapılan çalışmada cihazın iyileştirilebilmesi amacıyla kovan yüzeyine uygulanan taş yünü ceket sayesinde, hedef sıcaklık değerine ulaşmak için ısıtıcı bantların enerji tüketiminde %32,88 oranında iyileşme sağlandığı görülmektedir. Ayrıca, her bölge için zamana bağlı sıcaklık değişim grafikleri ayrı ayrı oluşturulmakta ve izolasyonun, orta kısımda hedef sıcaklığın aynı süre içinde 12 °C üzerine çıkmasına neden olduğu tespit edilmektedir.

Keywords

Eklemeli İmalat, Demir Katkılı Filaman, Filaman Ekstrüzyonu, PLA, Termal Simülasyon

DESIGN, MANUFACTURING AND THERMAL ANALYSIS OF EXTRUSION DEVICE FOR IRON- INCLUSION FILAMENT PRODUCTION BY ADDITIVE MANUFACTURING

Abstract

Advancements in materials and manufacturing technologies are enabling the production of machine parts with diverse characteristics through additive manufacturing. Significant improvements in mechanical, thermal, chemical, and magnetic properties, among others, are being achieved with 3D printer filaments that contain different additives. To better define the characteristics of extruders suitable for the production of filaments with additives, and to serve as a resource for studies in this area, an extruder capable of producing additive-containing filaments for use in 3D printers has been designed. The scope of the study includes the selection of the extruder screw, the drive transmission and bearing components, the barrel and nozzle system, the placement of barrel heaters within the setup, the control of the desired temperature values using a PID control system, conducting thermal simulations with the help of SolidWorks, and comparing the actual values with the simulation results using a thermal imaging camera. Time-dependent temperature change graphs for the heating zones of the barrel body in the established system were created and examined. The study found that by improving the device, the effect of heater bands on the power required to reach the target temperature was improved by 32,88% with the application of a rock wool jacket to the barrel surface. Additionally, separate time-dependent graphs for each zone were created, revealing that the insulation increased the temperature by 12°C above the target in the middle section of the barrel body within the same time frame.

Keywords

Additive Manufacturing, Iron-infused Filament, Filament Extrusion, PLA, Thermal Simulation

References

• 1. F. Cerejo, D. Gatões ve M. T. Vieira, “Optimization of metallic powder filaments for additive manufacturing extrusion (MEX)”, Int. J. Adv. Manuf. Technol., Vol. 115, Issue 7, Pages 2449-2464, 2021.
• 2. E. H. Tümer ve H. Y. Erbil, “Extrusion-Based 3D Printing Applications of PLA Composites: A Review”, Coatings, Cilt 11, Sayı 4, Sayfa 4, 2021.
• 3. V. S. Vakharia, L. Kuentz, A. Salem, M. C. Halbig, J. A. Salem ve M. Singh, “Additive Manufacturing and Characterization of Metal Particulate Reinforced Polylactic Acid (PLA) Polymer Composites”, Polymers, Vol. 13, Issue 20, Page 3545, 2021.
• 4. S. Akkurt, “Plastik malzeme bilimi, teknolojisi ve kalıp tasarımı”, Sayfa 50-51, Birsen Yayınevi, İstanbul, 2007.
• 5. S. Levy, “Plastics Extrusion Technology Handbook”, Pages 83-96, Industrial Press Inc., South Norwalk, 1989.
• 6. K. Doungkeaw ve J. Tungtrongpairoj, “Printability and Mechanical Properties of PLA/Iron Composites for FDM 3D Printing”, Key Eng. Mater., Vol. 978, Pages 47-51, 2024.
• 7. A. Amirov vd., “3D printing of PLA/magnetic ferrite composites: effect of filler particles on magnetic properties of filament”, Processes, Vol. 10, Issue 11, Pages 2412, 2022.
• 8. J. Sasse, L. Pelzer, M. Schön, T. Ghaddar, ve C. Hopmann, “Investigation of Recycled and Coextruded PLA Filament for Additive Manufacturing”, Polymers, Vol. 14, Issue 12, Pages 12, 2022.
• 9. J. Deng vd., “Energy monitoring and quality control of a single screw extruder”, Appl. Energy, Vol. 113, Pages 1775-1785, 2014.
• 10. M. Nassar, M. El Farahaty, S. Ibrahim, ve Y. Hassan, “Design of 3D filament extruder for Fused Deposition Modeling (FDM) additive manufacturing”, Int. Des. J., Vol. 9, Issue 4, Pages 55-62, 2019.
• 11. N. D. Watson ve P. Von Lockette, “Deposition Controlled Magnetic Alignment in Iron-PLA Composites”, https://hdl.handle.net/2152/90192, Kasım 22, 2023.
• 12. D. V. Rosato, Extruding Plastics: A practical processing handbook, Pages 208–213, Springer Science & Business Media, 2013.
• 13. S. Y. Kim, S. P. Hersh ve P. L. Grady, “Factors affecting the energy efficiency of single screw extruders”, Fibre Sci. Technol., Vol. 17, Issue 1, Pages 41-61, 1982.