Eriyik Yığma Modelleme ile Üretilen PLA Parçaların Vida Tutma Kuvvetlerinin İstatistiksel Olarak Değerlendirilmesi

Abstract

Sunulan çalışmada, 3D yazıcı ile üretilen PLA numunelerin çoklu yazdırma parametrelerinin vida tutma kuvveti üzerindeki etkileri istatistiksel olarak araştırılmıştır. Taguchi L27 Ortogonal dizi esas alınarak, yazdırma hızı, yazdırma sıcaklığı, doluluk oranı, tabla sıcaklığı ve dolgu deseni faktörlerinin farklı seviyelerinde testler gerçekleştirilmiştir. Test sonuçları, varyans analizi, ana etkiler ve etkileşim grafikleri ile %95 güven seviyesinde değerlendirilmiştir. Böylece faktörlerin ve bazı etkileşimlerin vida tutma kuvveti üzerindeki etkileri ve optimum cevabı veren seviyeler belirlenmiştir. Buna göre, sadece yazdırma sıcaklığı, doluluk oranı, dolgu deseni ve yazdırma sıcaklığı-doluluk oranı faktör ve etkileşimlerinin anlamlı olduğu; ayrıca, doluluk oranının %55,08’lik oranla tutma kuvveti üzerinde en yüksek etkiye sahip olduğu ve bunu sırasıyla yazdırma sıcaklığı (%18,62), yazdırma sıcaklığı- doluluk oranı (%12,19) ve dolgu deseni (%4,03) faktör ve etkileşimlerinin izlediği gözlemlenmiştir. Son olarak, optimum tutma kuvveti yazdırma hızının ikinci (A2= 50 mm/s), yazdırma sıcaklığının üçüncü (B3= 230 0C), doluluk oranının üçüncü (C3= %100), tabla sıcaklığının üçüncü (D3= 80 0C) ve dolgu deseninin birinci seviyesinde (E1= Grid) 1885,89 N olarak tahmin edilmiştir. Bu seviyelerde gerçekleştirilen 3 adet doğrulama deneyinde, ortalama 1993,33 N’luk tutma kuvveti elde edilmiş olup, sonucun belirlenen güven aralığında olduğu tespit edilmiştir. Böylece yapılan optimizasyonun yeterli doğrulukta olduğu söylenebilir.

Keywords

• Eriyik yığma modelleme
• Katmanlı imalat
• Optimizasyon
• Taguchi method
• Vida tutma kuvveti.

Statistical Evaluation of the Screw Pull Out Forces of PLA Parts Manufactured by Fused Deposition Modeling

Abstract

In the presented study, the effects of multiple printing parameters on the screw pull out force of PLA samples produced with a 3D printer were investigated statistically. Based on the Taguchi L27 orthogonal array, tests were carried out at different levels of printing speed, printing temperature, infill density, build plate temperature and infill pattern factors. Experiment results were assessed at the 95% confidence level with analysis of variance, main effects and interaction graphs. Thus, the effects of factors and some two-way interactions on the screw pull out force and the levels that give the optimum response are determined. Accordingly, it is obtained that only the printing temperature, fill rate, fill pattern and printing temperature-fill rate factors and interactions are significant; It is also found that the infill density has the highest effect on the holding force with 55.08%, followed by the printing temperature (18.62%), printing temperature-infill density (12.19%) and infill pattern (4.03%). Finally optimum pull out force is predicted at the second level of printing speed (A2= 50 mm/s), third level of printing temperature (B3= 230 0C), third level of infill density (C3=100%), third level of build plate temperature (D3=80 0C) and first level of infill pattern (E1= Grid) as 1885,89 N. In 3 confirmation experiments performed at these levels, an average pull out force of 1993.33 N is obtained and it is determined that the result was within the specified confidence interval. Thus, it can be said that the optimization made is of sufficient accuracy.

Keywords

• Fused Deposition Modelling
• Additive manufacturing
• Optimization
• Taguchi method
• Screw pull out force.

References

1. [1] G. Kumar, G. Pavan and S.P. Regalla, ‘‘Optimization of support material and build time in fused deposition modeling (FDM)’’ Trans Tech Publications- In Applied Mechanics and Materials, vol 110, pp. 2245-2251, 2012. doi:10.4028/www.scientific.net/AMM.110-116.2245
2. [2] B. Ergene, İ. Şekeroğlu, Ç. Bolat and B. Yalçın, “An experimental investigation on mechanical performances of 3D printed lightweight ABS pipes with different cellular wall thickness” Journal of Mechanical Engineering and Sciences, vol. 15, no. 8, pp. 8169-8177, 2021. doi:10.46519/ij3dptdi.1069544
3. [3] W.C. Smith and R. W. Dean, ‘‘Structural characteristics of fused deposition modeling polycarbonate material’’ Polymer Testing, vol. 32, no. 8, Pages 1306–1312, 2013. doi:10.1016/j.polymertesting.2013.07.014
4. [4] C. Weller, R. Kleer and F. T. Piller, ‘‘Economic implications of 3D printing: Market structure models in light of additive manufacturing revisited’’, Int. J. Production Economics, vol. 164, pp. 43–56, 2015. doi:10.1016/j.ijpe.2015.02.020
5. [5] N. Ercan ve D. E. Yunus, “Eriyik yığma modelleme ile üretilen hücresel sandviç panellerin basma özelliklerinin incelenmesi” presented at the 4 th Internatıonal Congress on 3d Prıntıng (Additive Manufacturing) Technologıes and Dıgıtal Industry (3D-PTC2019), Antalya, 2019.
6. [6] S. H. Yazdani, A. H. Akbarzadeh, H. Niknam and K. Hermenean, ‘‘3D printed architected polymeric sandwich panels: Energy absorption and structural performance’’,Composite Structures, vol. 200, pp. 886–909, 2018. doi:10.1016/j.compstruct.2018.04.002
7. [7] B. Ergene and Ç. Bolat, “An experimental study on the role of manufacturing parameters on the dry sliding wear performance of additively manufactured PETG” International Polymer Processing, vol. 37, no. 3, pp. 255-270, 2022. doi:10.1515/ipp-2022-0015
8. [8] B. Ergene and B. Yalçın, “Eriyik yığma modelleme (EYM) ile üretilen çeşitli hücresel yapıların mekanik performanslarının incelenmesi” Gazi Üniversitesi Mühendislik ve Mimarlık Fakültesi Dergisi, cilt 38, sayı 1, ss. 201-218, 2023. doi:10.17341/gazimmfd.945650

9. [9] D. Chaidas, K. Kitsakis and S. Maropoulos, “The impact of temperature changing on surface roughness of FFF process”. 20th Innovative Manufacturing Engineering and Energy Conference, Kallithea Chalkidiki, 2016.
10. [10] M. Günay, R. Kaçar, H. Yılmaz, H. Demir ve S. Gündüz, “3D Baskı ile Üretilen PLA Esaslı Numunelerde Doluluk Oranı ve Tarama Açısının Mekanik Özelliklere Etkisi”, 3rd International Congress on 3D Printing (Additive Manufacturing) Technologies and Digital Industry, Antalya, 2018:33-39.
11. [11] M. Aydın, F. Yıldırım ve E. Çantı “Farklı yazdırma parametrelerinde PLA filamentin işlem performansının incelenmesi”, 3rd International Congress on 3D Printing (Additive Manufacturing) Technologies and Digital Industry, Antalya, 2018:295-307.
12. [12] V. Tokdemir, S. Altun ve K. Kurtoğlu, “Ahşap filamentlerin ve baskı parametrelerinin çekme direncine etkisi” presented at the 4th International Congress On 3d Printing (Additive Manufacturing) Technologies and Digital Industry , 2019.
13. [13] S. Altun, V. Tokdemir ve S. Yılmaz, “Faklı ahşap filamentler ile yazdırılmış örneklerin yüzey pürüzlülüğü ve boyutsal kararlılığı” presented at the 4th International Congress On 3d Printing (Additive Manufacturing) Technologies And Digital Industry , 2019.
14. [14] M. Günay, S. Gündüz, H. Yılmaz, N. Yaşar ve R. Kaçar, “PLA esaslı numunelerde çekme dayanımı için 3D baskı işlem parametrelerinin optimizasyonu” Politeknik Dergisi, cilt 23, sayı 1, ss. 73-79, 2020. doi:10.2339/politeknik.422795
15. [15] M. Kam, H. Saruhan and A. İpekçi, “Investigation the effect of 3D printer system vibrations on surface roughness of the printed products”, Düzce Üniversitesi Bilim ve Teknoloji Dergisi, vol. 7, no. 3, pp. 147–157, 2019. doi:10.29130/dubited.441221
16. [16] B. Ergene, G. Atlıhan and A.M. Pinar, “Experimental and finite element analyses on the vibration behavior of 3D-printed PET-G tapered beams with fused filament fabrication” Multidiscipline Modeling in Materials and Structures, vol. 19, no. 4, pp. 634-651, 2023. doi:10.1108/MMMS-11-2022-0265 [17] B. Ergene and Ç. Bolat, “An Experimental ınvestigation on the effect of test speed on the tensile properties of the petg produced by additive manufacturing” International Journal of 3D Printing Technologies and Digital Industry, vol. 6, no. 2, pp. 250-260, 2022. doi:10.46519/ij3dptdi.1069544
17. [18] A. Zeren and E. Maral. "Screw pullout behaviour in polyethylene" Materials and Design, vol. 28, no. 10, pp. 2698-2705, 2007. doi:10.1016/j.matdes.2006.10.007
18. [19] E. Ünal, "The effect of different tread profiles on pullout strength of glass fiber reinforced polymer composite materials." Cumhuriyet Science Journal, vol. 39, no. 2, pp. 550-556, 2018. doi:10.17776/csj.421618
19. [20] P. Yu, A.Manalo, W. Ferdous, , C. Salih, R. Abousnina, T.Heyer and P. Schubel, “Failure analysis and the effect of material properties on the screw pull-out behaviour of polymer composite sleeper materials” Engineering Failure Analysis, vol. 128, e105577, 2021. doi:10.1016/j.engfailanal.2021.105577
20. [21] A. J. Kubiak, , K. Lindqvist-Jones, K. D. Dearn and D. E. Shepherd, “Comparison of the mechanical properties of two designs of polyaxial pedicle screw” Engineering Failure Analysis, vol. 95, pp. 96-106, 2019. doi:10.1016/j.engfailanal.2018.08.023
21. [22] M. Einafshar, A.Hashemi and A. Kiapour, “Evaluation of the efficacy of modal analysis in predicting the pullout strength of fixation bone screws” JOR Spine, vol. 5, no. 4, e1220, 2022. doi:10.1002/jsp2.1220
22. [23] M. Einafshar, , A. Hashemi, and G. Herry van Lenthe, “Homogenized finite element models can accurately predict screw pull-out in continuum materials, but not in porous materials” Computer Methods and Programs in Biomedicine, vol. 202, e105966, 2021. doi:10.1016/j.cmpb.2021.105966
23. [24] A. M. Pinar, “Optimization of process parameters with minimum surface roughness in the pocket machining of AA5083 aluminium alloy via Taguchi method,” The Arabian Journal for Science and Engineering B: Engineering, vol. 38, no. 3, pp. 705-714, 2013. doi:10.1007/s13369-012-0372-5
24. [25] A. M. Pinar and A. Güllü, “Optimization of numerical controlled hydraulic driven positioning system via Taguchi method” Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, vol. 25, no. 1, pp. 93-100, 2010.
25. [26] A. M. Pinar and K. Fırat, “Machinability evaluation of multi-directional turning tools” Materials Testing, vol. 62, no. 3, pp. 311-316, 2020. doi:10.3139/120.111487
26. [27] A. M. Pinar ve K. Fırat, “AISI 4140 çeliğin çok yönlü takımla tornalanmasında yüzey pürüzlülük performansının optimizasyonu,” Politeknik Dergisi, cilt 19, sayı 4, ss. 491-498, 2016. doi:10.2339/2016.19.4 491-498
27. [28] H. Radhwan, Z. Shayfull, A. E. H. Abdellah, A. R. Irfan and K. Kamarudin, “Optimization parameter effects on the strength of 3D-printing process using Taguchi method,” AIP Conference Proceedings, vol. 2129, no. 1, e020154, 2019. doi:10.1063/1.5118162
28. [29] M. Hikmat, S.Rostam and Y. M. Ahmed, “Investigation of tensile property-based Taguchi method of PLA parts fabricated by FDM 3D printing technology,” Results in Engineering, vol. 11, e100264, 2021. doi:10.1016/j.rineng.2021.100264