Investigation of mechanical behavior of samples with different infill patterns and infill densities produced from carbon fiber filament in a 3D printer

Abstract

In this study, tensile and compression tests were carried out to investigate the mechanical properties of samples produced from carbon fiber reinforced nylon filament using a three-dimensional (3D) printer. In the experiments, 5 different filler ratios (20%, 40%, 60%, 80% and 100%) and 4 different pattern types (gyroid, triangle, zig-zag and grid) were used. These patterns were selected from the standard pattern types in order to compare with the studies conducted with materials other than carbon fiber. Specimen dimensions were determined according to ASTM D638 for tensile test and ASTM D695 for compression test. ESUN brand EPA-CF 1.75 mm natural carbon fiber filament was used as the test specimen material. In the fabrication of the samples with a 3D printer, the printing parameters were set as printing temperature 265 ℃, manufacturing table temperature 85 ℃ and layer height 0.2 mm. As a result, in the tensile test results of the studies performed with 5 different filler ratios and 4 different pattern types, an increase in tensile stress, modulus of elasticity, yield stress, modulus of resilience and tensile stress at break values were observed as the filler ratio increased. As the filler ratio decreased, elongation at break and elongation in tension values increased. According to the compression test results, the modulus of elasticity, modulus of elasticity, modulus of resistance and yield strength values of the specimens with 100% and 80% filler ratio were higher than the specimens with 60%, 40% and 20% filler ratio. When the tensile and compression tests were compared, it was observed that the compression yield stresses were higher than the tensile yield stresses. Among the specimens with 80%, 60% and 20% filler ratios, the specimen with gyroid pattern had the highest compression yield stress value and was measured as 38.82 MPa, 18.11 MPa and 6.97 MPa, respectively.

Keywords

• Carbon fiber
• Mechanical experiments
• Additive manufacturing
• Tensile test
• Compression test

3 boyutlu yazıcıda karbon fiber filamentten üretilen farklı dolgu deseni ve dolgu yoğunluğuna sahip numunelerin mekanik davranışlarının incelenmesi

Abstract

Bu çalışmada üç boyutlu (3B) yazıcı kullanılarak karbon fiber takviyeli naylon filamentten üretilen numunelerin mekanik özelliklerini araştırmak amacıyla çekme ve basma deneyleri yapılmıştır. Deneylerde 5 farklı dolgu oranı (%20, %40, %60, %80 ve %100) ve 4 farklı desen çeşidi (gyroid, üçgen, zik zak ve ızgara) kullanılmıştır. Bu desenler, karbon fiber malzeme dışında diğer malzemelerle yapılmış çalışmalarla kıyaslanması için, standart desen tipleri içerisinden seçilmiştir. Numune boyutları; çekme deneyi için ASTM D638, basma deneyi için ASTM D695 standardına göre belirlenmiştir. Deney numune malzemesi olarak ESUN marka EPA-CF 1.75 mm doğal karbon elyaf filament kullanılmıştır. Numunelerin 3 boyutlu yazıcı ile imalinde, yazdırma parametreleri olarak, yazdırma sıcaklığı 265 ℃, imalat tablası sıcaklığı 85 ℃ ve katman yüksekliği 0.2 mm olarak belirlenmiştir. Sonuç olarak, 5 farklı dolgu oranında ve 4 farklı desen tipinde yapılan çalışmalarda çekme deneyi sonuçlarında dolgu oranı arttıkça; çekme gerilmesi, elastisite modülü, akma gerilmesi, rezilyans modülü ve kopma gerilmesi değerlerinde artış gözlemlenmiştir. Dolgu oranı azaldıkça kopmadaki uzama ve çekmedeki uzama değerlerinde artış görülmüştür. Basma deneyi sonuçlarına göre %100 ve %80 dolgu oranlı numunelerin elastisite modülü, rezilyans modülü ve akma dayanımı değerlerinde %60, %40 ve %20 dolgu oranlı numunelere göre daha yüksek değerler ölçülmüştür. Çekme ve basma deneyleri kıyaslandığında basma akma gerilmelerinin çekme akma gerilmelerine göre daha yüksek olduğu görülmüştür. %80, %60 ve %20 dolgu oranlı numuneler arasında basma akma gerilmesi değeri en yüksek numune gyroid desenli numune olup sırasıyla 38.82 MPa, 18.11 MPa ve 6.97 MPa olarak ölçülmüştür.

Keywords

• Karbon fiber
• Mekanik deneyler
• Eklemeli imalat
• Çekme deneyi
• Basma deneyi

References

1. ASTM. Standard Terminology for Additive Manufacturing Technologies ASTM F2792-12a F27 (2015). https://www.astm.org/f2792-12a.html (Erişim Tarihi: 15.05.2024).
2. Sood AK, Ohdar RK, Mahapatra SS. (2010). Parametric appraisal of mechanical property of fused deposition modelling processed parts. Materials & Design. 31, 287- 295, 2010.
3. Yakovlev A, Trunova E, Grevey D, Pilloz M. Smurov. Laser-assisted direct manufacturing of functionally graded 3D objects. Surf Coatings Technol. 190(1), 15-24, 2005.
4. Williams JV, Revington RJ. International Journal of Oral Maxillofacial. Novel use of an aerospace selective laser sintering machine for rapid prototyping of an orbital blowout fracture, Surgery. 39, 182–184, 2010.
5. Vilaro T, Abed S, & Knapp W. Direct manufacturing of technical parts using selective laser melting: example of automotive application, Proceedings of 12th European Forum on Rapid Prototyping, Paris, France, March 5-6, 2008.
6. Webb PA. A review of rapid prototyping (RP) techniques in the medical and biomedical sector, Journal of Medical Engineering & Technology, 24 (4), 149-153, 2000.
7. Rengier F, Mehndiratta A, Tengg-Kobligk H, Zechmann CM, Unterhinninghofen R & Kauczor HU. 3D printing based on imaging data: review of medical applications. International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery, 5(4), 335–41, 2010.
8. Kolarevic, Branko. Digital Fabrication: Manufacturing Architecture in the Information Age. Proceedings of the Twenty First Annual Conference of the Association for Computer-Aided Design in Architecture, Buffalo New York, 11-14 October 2001.

9. Flowers, J. 3D laser scanning in technology education, Technology Teaching, 60 (3), 27-30, 2000.
10. Brandt J, Drechsler K, Arendts FJ. Mechanical performance of composite based on various three dimensional woven-fibre preforms. Composites Science and Technology, 56, 381-386, 1996.
11. Ergene, B., & Yalçın, B. (2023). Investigation on mechanical performances of various cellular structures produced with fused deposition modeling (FDM). Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University.
12. Ang KC, Leong KF, Chua CK. (2006) Investigation of the mechanical properties and porosity relationships in fused deposition modelling fabricated porous structures. Rapid Prototyping Journal. 12(2),100-105, 2006.
13. Spoerk M, Arbeiter F, Cajner H, Sapkota J, Holzer C. Parametric optimization of intra- and inter-layer strengths in parts produced by extrusion-based additive manufacturing of poly(lactic acid) Journal of Applied Polymer Science. 134(41):1-15, 2017.
14. Park, S. J. & Seo, M. K. (2011). Element and Processing. Interface Science and Technology. (pp. 431-499).
15. Polat, Y. F. (2022). Eriyik Biriktirme Yöntemi ile Üretilen Karbon Fiber Katkılı Malzemelerde Fiber Katman Konumlarının Mekanik Özelliklere Etkisi. (Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü).
16. Esun. ePA-CF filament bilgi sayfası. https://www.esun3d.com/tr/epa-cf-product/. (Erişim Tarihi: 20.04.2024)
17. Kaya, E., Bayar, İ. & Akpınar, A. F. Niğde Ömer Halisdemir Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 13, 3, 792-798, 2024.
18. Dakhil, G. Y., Salih, R. M. & Hameed, A. M. Journal of Applied Sciences and Nanotechnology, 3(1), 2023.
19. Oudah, S. A, Al-Attraqchi, H. B. & Nassir, N. A. (2022). The effect of process parameters on the compression property of acrylonitrile butadiene styrene produced by 3D printer. Engineering and Technology Journal, 40(01), 189-194.
20. Bacak S. FDM üç boyutlu yazıcı teknolojisinde farklı içyapı geometrileri ile üretilmiş numunelerin çekme dayanımlarının karşılaştırılması. Iğdır Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 11(2), 1444-1454, (2020).
21. Tandon, S, Kacker, R., Sudhakar, K. G. Experimental investigation on tensile properties of the polymer and composite specimens printed in a Triangular pattern. Kapoor S. SME, Southfield, 2021.
22. Rismalia, R., Hidajat, S. C., Permana, G. R., Hadisujoto, B., Muslimin, M, Triawan F., & Rismalia, M. Infill pattern and density effects on the tensile properties of 3D printed PLA material. Department of Mechanical Engineering, 1402, 4, 044049, 2019.
23. Ahmed, B. A., Nadeem, U., Hakeem, A. S., Ul-Hamid, A., Khan, M. Y., Younas, M., & Saeed, H. A. Printing Parameter Optimization of Additive Manufactured PLA Using Taguchi Design of Experiment. Polymers, 15(22), 4370, 2023.