Powder Coating of 3D Printed Parts Surfaces and Erosive Wear Behaviour Characterization of Coatings

Abstract

Nowadays, the production of parts with 3D printers is becoming an increasingly used method. Polylactic acid (PLA) filaments are used as raw material in parts produced with 3D printers. Parts produced from PLA may have low scratch resistance under service conditions. In order to increase the resistance of parts produced by 3D printers to surface scratches, the surface of the cylindrical part produced in this study was coated with three different powder and epoxy resin. In order to improve the abrasion resistance, white alumina, garnet and ceramic ball powders are preferred for surface coating. A specially designed and manufactured motorized assembly for the coating process is rotated at a certain speed and the 3D manufactured cylindrical sample is coated with epoxy followed by powder application. Surface roughness analysis was performed after coating process. In the roughness analysis, the mean spatial roughness values (Sa) were examined. The spatial roughness values gave important information about the adhesion characteristics of the powders to the surface during coating and the distribution of the powders on the surface. After the surface coating, the specimens which became particle reinforced composite were subjected to erosive wear tests. After erosive wear tests, mass losses and surface roughness analyzes were performed and abrasion resistance characterization was performed. After erosive surface analysis, the effects of the interaction between coating powders and abrasive powders on surface wear damage were revealed. The aim of this study is to provide information about the possible damages on the surface of aircraft parts produced with 3D printers. In addition, there is a need for a different method of coating the surfaces of complex geometric parts produced in 3D. As a result, an alternative method of surface coating of components produced by 3D manufacturing has been tried and its effects on erosive abrasion resistance have been tried to be determined by surface analysis.

Keywords

• 3D manufacturing
• Coating
• Wear
• Roughness

3 Boyutlu Yazıcı ile Üretilen Parça Yüzeylerini Toz Kaplama ve Kaplama Eroziv Aşınma Davranışlarının Karakterizasyonu

Öz

Günümüzde 3 boyutlu (3D) yazıcılarla parça üretimi giderek artan oranda kullanılan bir yöntem haline gelmektedir. 3D yazıcılarla üretilen parçalarda hammadde olarak polilaktik asit (PLA) filamantler kullanılmaktadır. PLA malzemeden üretilmiş parçaların servis şartları altında yüzey çizilmelerine dayanımı düşük olabilmektedir. 3D yazıcılarla üretilmiş parçaların yüzey çizilmelerine dayanımını artırmak amacıyla bu çalışmada üretilen silindirik parçanın yüzeyi üç farklı toz ve epoksi reçine kullanılarak kaplanmıştır. Aşınma dayanımını iyileştirmek amacıyla beyaz alümina, garnet ve seramik bilya tozları yüzey kaplamasında tercih edilmiştir. Kaplama işlemi için özel tasarlanıp imal edilen motorize bir düzenekle belirli devir sayısında döndürülen 3D imal edilmiş silindirik numune epoksi ve arkasından toz uygulamasıyla kaplanmıştır. Kaplama işlemi sonrası yüzey pürüzlülük analizleri gerçekleştirilmiştir. Pürüzlülük analizlerinde alansal taramalar yapılarak ortalama alansal pürüzlülük değerleri (Sa) irdelenmiştir. Alansal pürüzlülük değerleri tozların kaplama esnasında yüzeye yapışma karakteristiği ve yüzeyde tozların dağılımı hakkında da önemli bilgiler vermiştir. Yüzeyi kaplama sonrası yüzeyi partikül takviyeli kompozit haline gelen numuneler erozif aşınma testlerine maruz bırakılmıştır. Erozif aşınma testleri sonrası kütle kayıpları ve yüzey pürüzlülük analizleri gerçekleştirilerek aşınma dayanımı karakterizasyonu gerçekleştirilmiştir. Erozif sonrası yapılan yüzey analizlerinde kaplama tozlar ve aşındırıcı tozlar arası etkileşimin yüzey aşınma hasarına etkileri ortaya konmuştur. Uçak parçalarında sıkça ortaya çıkan yüksek hızlardaki eroziv aşınmanın, 3D yazıcılarla üretilmiş uçak parçalarında yüzeyde ne tür hasarlara sebep olabileceği konusunda yapılan çalışmayla bilgi birikimi sağlanmaya çalışılmıştır. Ayrıca 3D üretilen karmaşık geometrili parçaların yüzeylerini farklı bir metotla kaplama konusuna ihtiyaç bulunmaktadır. Sonuç olarak 3D imalatla üretilen komponentlerin yüzey kaplamasıyla ilgili alternatif bir yöntem denenmiş ve erozif aşınma dayanımına etkileri yüzey analizleri ile ortaya konulmaya çalışılmıştır.

Anahtar Kelimeler

• 3 Boyutlu imalat
• Kaplama
• Aşınma
• Pürüzlülük

Kaynakça

1. Avcu, E., Fi̇dan, S., Bora, M. Ö., Çoban, O., Taşkiran, İ., & Sinmazçeli̇k, T. (2013). Solid Particle Erosive Wear Behavior of Glass Mat Reinforced PPS Composites: Influence of Erodent Particle Size, Pressure, Particle Impingement Angle, and Velocity. Advances in Polymer Technology, 32(S1), E386–E398. https://doi.org/10.1002/adv.21286
2. Bhaduri, D., Penchev, P., Batal, A., Dimov, S., Soo, S. L., Sten, S., … Dong, H. (2017). Laser polishing of 3D printed mesoscale components. Applied Surface Science, 405, 29–46. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2017.01.211
3. Enhui, L., Jian, L., Yan, X., & Hongjing, Q. (2019). The influences of light source and roughness ranges on colour image-based visual roughness measurement performance. Measurement, 147, 106855. https://doi.org/10.1016/j.measurement.2019.106855
4. Harsha, a. P., & Thakre, A. a. (2007). Investigation on solid particle erosion behaviour of polyetherimide and its composites. Wear, 262(7–8), 807–818. https://doi.org/10.1016/j.wear.2006.08.012
5. Kumar, R., Antonov, M., Beste, U., & Goljandin, D. (2020). Assessment of 3D printed steels and composites intended for wear applications in abrasive, dry or slurry erosive conditions. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, 86, 105126. https://doi.org/10.1016/J.IJRMHM.2019.105126
6. Lanzetta, M., & Sachs, E. (2003). Improved surface finish in 3D printing using bimodal powder distribution. Rapid Prototyping Journal, 9(3), 157–166. https://doi.org/10.1108/13552540310477463
7. Thomas, T. R. (2014). Roughness and function. Surface Topography: Metrology and Properties, 2(1). https://doi.org/10.1088/2051-672X/2/1/014001
8. Zhou, L. Y., Zhang, H., Pei, X. Q., Friedrich, K., Eger, C., & Zhang, Z. (2013). Erosive wear of transparent nanocomposite coatings. Tribology International, 61, 62–69. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2012.11.021