Investigation of mechanical properties of products produced from PLA material by additive manufacturing method

Abstract

In this study, the mechanical properties of test specimens produced from polylactic acid (PLA) materials were investigated by using Fused Deposition Modeling (FDM), which is widely used in rapid prototyping. In addition to three different filling patterns, three different filling rates and production speed were determined as parameters in obtaining the test samples. Then, the mechanical properties of the products were examined by subjecting the test samples to hardness measurement and tensile tests. According to the test results; The tensile strength of the samples increased with the increase in the fullness rate. The change of filling pattern and production speed did not cause a significant change in terms of tensile strength. The increase in the filling rate and the decrease in the production speed caused a decrease in the elongation values and a slight increase in the hardness values. It was observed that the filling pattern change did not cause a significant change. Test results are given in comparative graphs.

Keywords

• Additive manufacturing
• Fused Deposition Modeling
• Polylactic acid
• Mechanical properties

Eklemeli imalat yöntemiyle PLA malzemesinden üretilen ürünlerin mekanik özelliklerinin incelenmesi

Abstract

Bu çalışmada, hızlı prototiplemede yaygın olarak kullanılan ve bir eklemeli imalat yöntemi olan, Ergiyik Biriktirme Yöntemi (EBY) (FDM-Fused Deposition Modeling) kullanılarak, mavi renkli polilaktik asit (PLA) malzemelerinden üretilen deney numunelerinin mekanik özellikleri incelenmiştir. Deney numunelerinin elde edilmesinde; üç farklı dolgu deseni “Çizgi, Izgara, Eş Merkezli”, üç farklı doluluk oranı “%20, %60, %100” ve üç farklı üretim hızları (baskı hızı) “20 mm/sn, 40 mm/sn, 60 mm/sn” değişken olarak belirlenmiştir. Daha sonra deney numuneleri sertlik ölçümü ve çekme testlerine tabi tutularak, ürünlerin mekanik özellikleri incelenmiştir. Deney sonuçlarına göre; doluluk oranındaki artış ile birlikte numunelerin çekme mukavemeti de artmıştır. Dolgu deseni ve üretim hızının değişimi, çekme mukavemeti açısından kayda değer bir değişikliğe neden olmamıştır. Doluluk oranının artışı ve üretim hızının azalması ise uzama değerlerinde azalmaya, sertlik değerinde ise azda olsa artışa neden olmuştur. Dolgu deseni farklılığının anlamlı bir değişime neden olmadığı görülmüştür. Deney sonuçları karşılaştırmalı grafikler halinde verilmiştir.

Keywords

• Eklemeli imalat
• Ergiyik biriktirme modelleme
• Polilaktik asit
• Mekanik özellikler

References

1. [1] ASTM F2792e12a, Standard terminology for additive manufacturing technologies, West Conshohocken: ASTM International, 2012.
2. [2] Yalçın B, Ergene B. Endüstride Yeni Eğilim Olan 3-B eklemeli imalat yöntemi ve metalurjisi. SDÜ Uluslararası Teknoloji Bilimi Dergisi, 9(3), 65-88, 2017.
3. [3] Marcincinova LN, Marcincin JN, Barna J, Torok J. Special materials used in FDM rapid prototyping technology application, Proceedings of IEEE 16th International Conference on Intelligent Engineering Systems (INES), Lisbon, 73-76, 2012.
4. [4] Gibson I, Rosen D, Stucker B. Additive manufacturing technologies 3D printing, rapid prototyping and direct digital manufacturing, Second edition, Springer, 2015.
5. [5] Sezer HK, Eren O, Börklü HR, 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 of Gazi University, 34(2), 663-674. 2019.
6. [6] Çelik İ, Karakoç F, Çakır MC, Duysak A. Hızlı prototipleme teknolojileri ve uygulama alanları. Dumlupınar Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 31, 53-70, 2013.
7. [7] Edgar J, Tint S. Additive manufacturing technologies: 3D printing, rapid prototyping, and direct digital manufacturing, Johnson Matthey Technology Review, 59(3), 193-198. 2015.
8. [8] Tuan DN, Kashania A, Imbalzanoa G, Nguyena KTQ, Huib D, Additive manufacturing (3D printing): A review of materials, methods, applications and challenges, Composites Part B: Engineering, 143, 172-196, 2018.

9. [9] Ergene B, Sekeroğlu İ., Bolat Ç, Yalçın. B. An experimental investigation on mechanical performances of 3D printed lightweight ABS pipes with different cellular wall thickness, Journal of Mechanical Engineering And Sciences, 15(2), 8169–8177, 2021.
10. [10] ExOne, https://www.exone.com/en-US /Resources/case-studies/what-is-binder-jetting (Erişim Tarihi: 11.06.2021).
11. [11] Khoshnevis B. Automated construction by contour crafting—related robotics and information Technologies, Automation in Construction, 13 (1), 5-19, 2004.
12. [12] MakeItFrom.com, https://www.makeitfrom.com /material-properties/Polylactic-Acid-PLA-Polylactide (Erişim Tarihi: 14.06.2021).
13. [13] ASTM D638-14, Standard Test Method for Tensile Properties of Plastics. World Trade Organization Technical Barriers to Trade (TBT) Committee. West Conshohocken, 2014.
14. [14] Taguchi G. Taguchi on Robust Technology Development Methods, ASME Press, New York, 1-40, 1993.
15. [15] Koca N, Dolgu maddeli polimer malzemelerin taguchi yöntemi ile performans optimizasyonu, Yüksek Lisans Tezi, Kocaeli Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2009.
16. [16] Böğrekci İ, Demircioğlu P, Sucuoğlu HS, Turhanlar O, The effect of the infill type and density, International journal of 3d printing technologies and digital industry, 3:3, 212-219, 2019.
17. [17] Sucuoğlu HS, Böğrekçi İ, Demircioğlu P, Gültekin A, The Effect of Three Dimensional Printed Infill Pattern on Structural Strength, El-Cezerî Fen ve Mühendislik Dergisi, 5(3), 785-796, 2018.
18. [18] Harpool TD, Observing the effects of infill shapes on the tensile characteristics of 3d printed plastic parts, MSc Thesis, Wichita State University, USA, 2016.
19. [19] Evlen H, Özdemir MA, Çalışkan A, Doluluk oranlarının PLA ve PET malzemelerin mekanik özellikleri üzerine etkileri, Politeknik Dergisi, 22(4), 1031-1037, 2019.
20. [20] Wittbrodta B, Pearcea JM. The effects of PLA color on material properties of 3-D printed components, Additive Manufacturing, 8, 110–116, 2015.
21. [21] Tymrak BM, Kreiger M, Pearce JM. Mechanical properties of components fabricated with open-source 3-D printers under realistic environmental conditions, Materials and Design, 58, 242–246, 2014.
22. [22] Kaygusuz B, Özerinç S. 3 Boyutlu yazıcı ile üretilen PLA bazlı yapıların mekanik özelliklerinin incelenmesi Makina Tasarım ve İmalat Dergisi, 16(1), 1-6, 2018.
23. [23] Pillin I, Montrelay N, Grohens Y. Thermo-mechanical characterization of plasticized PLA: Is The Miscibility The Only Significant Factor?. Polymer. 47(13), 4676-4682, 2006.
24. [24] Akkurt S, Abs Plastiklerinin çekme kopma mukavemeti üzerine tavlama sıcaklığının etkisi, Erciyes Üniversitesi Bilim Dergisi, 3, 516-525, 1987.
25. [25] Evlen H, Erel G, Yılmaz E, Açık ve kapalı sistemlerde doluluk oranının parça mukavemetine etkisinin incelenmesi, Politeknik Dergisi, 21(3), 651-662, 2018.