Investigation of The Mechanical Properties of Tensile Test Samples Produced in Different Colors and Different Infill Patterns with A 3D Printer

Abstract

Fused deposition modeling (FDM) is a rapidly growing rapid prototyping technology due to its ability to create functional parts with complex shapes in a reasonable time. Determining and improving the mechanical properties of the products produced by 3D printers using the FDM method is of great importance for the widespread use of this manufacturing method. In this study; tensile test specimens have been produced in different colors and different infill patterns using ABS and PLA materials with the Ultimaker 2 Extended 3D printer. The effects of filament color and infill pattern on mechanical properties have been investigated experimentally. As a result, it has been determined that the filament color used has no significant effect on the mechanical properties of the tensile samples produced by 3D printer. Among the infill patterns used, it has been determined that the highest tensile strength values are in the samples produced with the "Concentric" infill pattern.

Keywords

• Additive Manufacturing
• Fused Deposition Modeling
• 3D Printer
• Tensile Test
• Hardness
• Infill Pattern

3 BOYUTLU YAZICI İLE FARKLI RENKLERDE VE FARKLI DOLGU DESENLERİNDE ÜRETİLEN ÇEKME TEST NUMUNELERİNİN MEKANİK ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ

Abstract

Erimiş yığma modellemesi (FDM), makul bir süre içinde karmaşık şekillere sahip işlevsel parçalar oluşturma yeteneği nedeniyle hızla büyüyen bir hızlı prototipleme teknolojisidir. FDM yöntemiyle üretim yapan 3 boyutlu yazıcılarla üretilen ürünlerin mekanik özelliklerinin belirlenmesi ve geliştirilmesi, bu imalat yönteminin kullanımının yaygınlaşması açısından büyük öneme sahiptir. Bu çalışmada; Ultimaker 2 Extended 3B yazıcı ile ABS ve PLA malzeme kullanılarak farklı renklerde ve farklı dolgu desenlerinde çekme test numuneleri üretilmiştir. Filament renginin ve dolgu deseninin mekanik özellikler üzerindeki etkileri deneysel olarak araştırılmıştır. Sonuç olarak, kullanılan filament renginin, 3 boyutlu yazıcı ile üretilen çekme numunelerinin mekanik özellikleri üzerinde kayda değer bir etkisinin olmadığı tespit edilmiştir. Kullanılan dolgu desenleri arasından en yüksek çekme mukavemeti değerlerinin “Concentric” dolgu deseniyle üretilen numunelerde olduğu belirlenmiştir.

Keywords

• Eklemeli İmalat
• Erimiş Yığma Modellemesi
• 3B Yazıcı
• Çekme Testi
• Sertlik
• Dolgu Deseni

References

1. 1. Al-Maharma, A.Y., Patil, S.P. ve Markert, B. (2020) Effects of porosity on the mechanical properties of additively manufactured components: a critical review, Materials Research Express, 7(12), 2001. https://doi.org/10.1088/2053-1591/abcc5d
2. 2. Andó, M., Birosz, M. ve Jeganmohan, S. (2021) Surface bonding of additive manufactured parts from multi-colored PLA materials, Measurement, 169, 1-7. https://doi.org/10.1016/j.measurement.2020.108583
3. 3. ASTM D638-14, (2014). Standard Test Method for Tensile Properties of Plastics, ASTM International, West Conshohocken, PA. https://doi.org/10.1520/D0638-14
4. 4. Ayrılmış, N. (2018) Effect of layer thickness on surface properties of 3D printed materials produced from wood flour/PLA filament, Polymer Testing, 71, 163-166. https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2018.09.009
5. 5. Chacón, J.M., Caminero, M.A., García-Plaza, E. ve Núñez, P.J. (2017) Additive manufacturing of PLA structures using fused deposition modelling: Effect of process parameters on mechanical properties and their optimal selection, Materials & Design, 124, 143-157. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2017.03.065
6. 6. Dilberoğlu, U.M., Şimşek, S. ve Yaman, U. (2019) Shrinkage compensation approach proposed for ABS material in FDM process, Materials and Manufacturing Processes, 34(9), 993-998. https://doi.org/10.1080/10426914.2019.1594252
7. 7. Graziosi, S., Cannazza, F., Vedani, M., Ratti, A., Tamburrino, F. ve Bordegoni, M. (2020) Design and testing of an innovative 3D-printed metal-composite junction, Additive Manufacturing, 36, 1-18. https://doi.org/10.1016/j.addma.2020.101311
8. 8. Gulcımen Cakan, B., Ensarioglu, C., Küçükakarsu, V., Tekin, İ. ve Çakır, M. (2021) FDM yöntemiyle üretilmiş öksetik bal peteği kutuların yöne bağlı darbe davranışının deneysel ve nümerik olarak incelenmesi, Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 36(3), 1657-1668. https://doi.org/10.17341/gazimmfd.829758

9. 9. Kumar, R., Singh, R. ve Ahuja, I.P.S. (2019) Friction stir welding of ABS-15Al sheets by introducing compatible semi-consumable shoulder-less pin of PA6-50Al, Measurement, 131, 461-472. https://doi.org/10.1016/j.measurement.2018.09.005
10. 10. Lay, M., Thajudin, N.L.N., Hamid, Z.A.A., Rusli, A., Abdullah, M.K. ve Shuib, R.K. (2019) Comparison of physical and mechanical properties of PLA, ABS and nylon 6 fabricated using fused deposition modeling and injection molding, Composites Part B, 176, 107341. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2019.107341
11. 11. Liao, Y., Liu, C., Coppola, B., Barra, G., Di Maio, L., Incarnato, L. ve Lafdi, K. (2019) Effect of porosity and crystallinity on 3d printed PLA properties. Polymers, 11(9), 1487. https://doi.org/10.3390/polym11091487
12. 12. Ngo, T.D., Kashani, A., Imbalzano, G., Nguyen, K.T.Q. ve Hui, D. (2018) Additive manufacturing (3D printing): A review of materials, methods, applications and challenges, Composites Part B: Engineering, 143, 172-196. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2018.02.012
13. 13. Ning, F., Cong, W., Hu, Y. ve Wang, H. (2017) Additive manufacturing of carbon fiber-reinforced plastic composites using fused deposition modeling: Effects of process parameters on tensile properties, Journal of Composite Materials, 51, 451-462. https://doi.org/10.1177/0021998316646169
14. 14. Noori, H. (2019) Interlayer fracture energy of 3D-printed PLA material, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 101, 1959-1965. https://doi.org/10.1007/s00170-018-3031-5
15. 15. Popescu, D., Zapciu, A., Amza, C., Baciu, F. ve Marinescu, R. (2018) FDM process parameters influence over the mechanical properties of polymer specimens: A review, Polymer Testing, 69, 157-166. https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2018.05.020
16. 16. Sezer, H., Eren, O., Börklü, H. ve Özdemir, V. (2019) Karbon fiber takviyeli polimer kompozitlerin ergiyik biriktirme yöntemi ile eklemeli imalatı: Fiber oranı ve yazdırma parametrelerinin mekanik özelliklere etkisi, Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 34 (2), 663-674. https://doi.org/10.17341/gazimmfd.416523
17. 17. Solmaz, M.Y. ve Çelik, E. (2018) 3 Boyutlu Yazıcı Kullanılarak Üretilen Bal Peteği Sandviç Kompozitlerin Basma Yükü Altındaki Performanslarının Araştırılması, Fırat Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 30(1), 277-286. https://dergipark.org.tr/tr/pub/fumbd/issue/35837/400526
18. 18. Sood, A.K., Ohdar, R.K. ve Mahapatra, S.S. (2010) Parametric appraisal of mechanical property of fused deposition modelling processed parts, Materials & Design, 31, 287-295. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2009.06.016
19. 19. Tatlı, O. ve Özgül, H.G. (2020) 3d printer design, manufacturing and effect of infill patterns on mechanical properties, Icontech International Journal, 4(1), 13-24. https://doi.org/10.46291/ICONTECHvol4iss1pp13-24
20. 20. The Ultimaker 2 Extended specifications, (n.d.). Erişim Adresi: https://support.ultimaker.com/hc/en-us/articles/360011987939-The-Ultimaker-2-Extended-specifications (Erişim Tarihi: 06.02.2021)
21. 21. The Ultimaker 2 Extended user manual, (n.d.). Erişim Adresi: https://support.ultimaker.com/hc/en-us/articles/360011987819-The-Ultimaker-2-Extended-user-manual (Erişim Tarihi: 06.02.2021)
22. 22. Ultimaker ABS SDS, (2017). Erişim Adresi: https://support.ultimaker.com/hc/en-us/articles/360011962900- Ultimaker-ABS-SDS (Erişim Tarihi: 15.02.2021)
23. 23. Ultimaker ABS TDS, (2018). Erişim Adresi: https://support.ultimaker.com/hc/en-us/articles/360012759139-Ultimaker-ABS-TDS (Erişim Tarihi: 15.02.2021)
24. 24. Ultimaker PLA SDS, (2019). Erişim Adresi: https://support.ultimaker.com/hc/en-us/articles/360012759359-Ultimaker-PLA-SDS (Erişim Tarihi: 15.02.2021)
25. 25. Ultimaker PLA TDS, (2018). Erişim Adresi: https://support.ultimaker.com/hc/en-us/articles/360011962720-Ultimaker-PLA-TDS (Erişim Tarihi: 15.02.2021)
26. 26. Uzun, M., Gür, Y. ve Usca, Ü. (2018) Manufacturing of new type curvilinear tooth profiled involute gears using 3D printing, Balıkesir Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 20(1), 278-286. doi: 10.25092/baunfbed.398462
27. 27. Uzun, M. ve Erdoğdu, Y.E. (2020) Eriyik yığma modellemesi ile üretimde takviyesiz ve takviyeli pla kullanımının mekanik özelliklere etkisinin araştırılması, Iğdır Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 10(4), 2800-2808. https://doi.org/10.21597/jist.799230
28. 28. Wojtyła, S., Klama, P. ve Baran, T. (2017) Is 3D printing safe? Analysis of the thermal treatment of thermoplastics: ABS, PLA, PET, and nylon, Journal of Occupational and Environmental Hygiene, 14(6), 80-85. https://doi.org/10.1080/15459624.2017.1285489
29. 29. Yaman, U. (2018) Shrinkage compensation of holes via shrinkage of interior structure in FDM process, International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 94, 2187–2197. https://doi.org/10.1007/s00170-017-1018-2
30. 30. Yaman, U. (2019) Topoloji optimizasyonu yapılmış parçaların 3b yazıcılar ile doğrudan üretilmesi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi Part C: Tasarım ve Teknoloji, 7(1), 236-244. https://doi.org/10.29109/gujsc.491244
31. 31. Zhang, P. ve To, A.C. (2016) Transversely isotropic hyperelastic-viscoplastic model for glassy polymers with application to additive manufactured photopolymers, International Journal of Plasticity, 80, 56-74. https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2015.12.012