MODELLING AND OPTIMIZATION OF SURFACE ROUGHNESS AND TENSILE STRENGTH OF ABS, PLA AND PETG SAMPLES PRODUCED BY FDM METHOD

Öz

The current study examines the influence of ABS, PLA, and PETG filaments and printing parameters on the surface quality and tensile strength of the samples produced using Fused Deposition Modeling (FDM) technology. For this purpose, a print experiment design has been made according to the Taguchi L27 index. While filament material, filling ratio, layer thickness, filling speed, and scanning angle are printing parameters, surface roughness and tensile strength are print quality indicators. Regression analysis has been also applied to mathematically model the surface roughness and tensile strength values obtained from experimental measurements. The outcomes of this study show that the filament material plays an important role in the surface roughness and tensile strength. Moreover, it has been determined that the surface roughness of PLA filament is 7.23% and 54.19% less on average, respectively, compared to ABS and PETG filaments, and also the tensile strength of PLA filament is 46.46% and 34.12% higher compared to other filaments, respectively.

Anahtar Kelimeler

• ABS
• PLA
• PETG
• Surface Roughness
• Tensile Strength
• Optimization

FDM YÖNTEMİYLE ÜRETİLEN ABS, PLA VE PETG NUMUNELERİN YÜZEY PÜRÜZLÜLÜĞÜ VE ÇEKME DAYANIMININ MODELLENMESİ VE OPTİMİZASYONU

Öz

Bu çalışma, Eriyik Yığma Modelleme (FDM) teknolojisi kullanılarak üretilen numunelerin yüzey kalitesi ve çekme dayanımı üzerinde ABS, PLA ve PETG filamentlerin ve baskı parametrelerinin etkisini incelemektedir. Bu amaçla, Taguchi L27 dizinine göre baskı deney tasarımı yapılmıştır. Filament malzemesi, dolum oranı, katman kalınlığı, doldurma hızı ve tarama açısı baskı parametreleri iken, yüzey pürüzlülüğü ve çekme mukavemeti de baskı kalitesi göstergeleridir. Ayrıca, deneysel ölçümler sonucu elde edilen yüzey pürüzlülüğü ve çekme dayanımı değerlerini matematiksel olarak modellemek için regresyon analizi de uygulanmıştır. Bu çalışmanın sonuçları filament malzemesinin yüzey pürüzlülüğü ve çekme dayanımı üzerinde önemli bir rol oynadığını göstermektedir. ABS ve PETG filamentlere göre PLA filament de yüzey pürüzlülüğünün sırasıyla ortalama %7,23ve %54,19 oranında daha az olduğu ve ayrıca, diğer filamentlere göre PLA filament de çekme dayanımın sırasıyla ortalama %46,46 ve %34,12 oranında daha yüksek olduğu tespit edilmiştir.

Kaynakça

1. 1. Dizon, J.R.C., Espera, A.H., Chen, Q. and Advincula, R.C., “Mechanical characterization of 3D-printed polymers”, Addit Manuf., Vol. 20, Pages 44-67, 2018.
2. 2. Mamo, H.B., Tura, A.D., Johnson, Santhosh, A., Ashok, N. and Kamalakara, Rao, D., “Modeling and analysis of flexural strength with fuzzy logic technique for a fused deposition modeling ABS component”, Mater Today Proc., Vol. 57, Pages 768-774, 2022.
3. 3. Lee, J.Y., An, J. and Chua, C.K., “Fundamentals and applications of 3D printing for novel materials”, Appl Mater Today., Vol. 7, 120-133, 2017.
4. 4. Polzin, C., Spath, S. and Seitz, H., “Characterization and evaluation of a PMMA‐based 3D printing process”, Rapid Prototyp J., Vol. 19, Issue 1, Pages 37-43, 2013.
5. 5. Melchels, F.P.W., Feijen, J. and Grijpma, D.W., “A review on stereolithography and its applications in biomedical engineering”, Biomaterials. Vol. 31, Issue 24, 6121-6130, 2010.
6. 6. Stansbury, J.W. and Idacavage, M.J., “3D printing with polymers: Challenges among expanding options and opportunities”, Dent Mater. Vol. 32, Issue 1, 54-64 2016.
7. 7. Schuldt, S.J., Jagoda, J.A., Hoisington, A.J., Delorit, J.D., “A systematic review and analysis of the viability of 3D-printed construction in remote environments”, Autom Constr. Vol. 125, Pages 103642, 2021.
8. 8. Turner, B., Strong, R.A. and Gold, S., “A review of melt extrusion additive manufacturing processes: I. Process design and modeling”, Rapid Prototyp J. Vol. 20, Issue 3, 192-204, 2014.

9. 9. Günay, M., Gündüz, S., Yılmaz, H., Yaşar, N. and Kaçar, R., “PLA esaslı numunelerde çekme dayanımı için 3D baskı işlem parametrelerinin optimizasyonu”, Politeknik Dergisi, Cilt 23, Sayı 1, Sayfa 73-79, 2020.
10. 10. Zhang, X., Chen, L., Mulholland, T. and Osswald, T.A., “Characterization of mechanical properties and fracture mode of PLA and copper/PLA composite part manufactured by fused deposition modeling”, SN Applied Sciences, Vol. 1, Issue 6, Pages 1-12, 2019.
11. 11. Uzun, M., Erdoğdu, Y.E., “Eriyik Yığma Modellemesi ile Üretimde Takviyesiz ve Takviyeli PLA Kullanımının Mekanik Özelliklere Etkisinin Araştırılması”, Journal of the Institute of Science and Technology, Cilt 10, Sayı 4, Sayfa 2800-2808, 2020.
12. 12. Melenka, G.W., Cheung, B.K.O., Schofield, J.S., Dawson, M.R. and Carey, J.P., “Evaluation and prediction of the tensile properties of continuous fiber-reinforced 3D printed structures”, Compos Struct, Vol. 153, Pages 866–875, 2016.
13. 13. Evlen, H., Özdemir, M.A., Çalişkan, A., “Doluluk oranlarının PLA ve PET malzemelerin mekanik özellikleri üzerine etkileri”, Politeknik Dergisi, Cilt 22, Sayı 4, Sayfa 1031-1037, 2019.
14. 14. ABS, PLA, PETG Filament özellikleri, https://zaxe.com/ Temmuz 21, 2022.
15. 15. Samtas, G., “Optimization of cutting parameters using Taguchi method during the face milling of AISI 1040 with coated and uncoated inserts”, Düzce University Journal of Science & Technology, Vol. 4, Pages 278-292, 2016.
16. 16. Kara, F. and Öztürk, B., “Comparison and optimization of PVD and CVD method on surface roughness and flank wear in hard-machining of DIN 1.2738 mold steel”, Sensor Review, Vol. 39, Issue 1, Pages 24-33, 2018.
17. 17. Özlü, B., “Experimental and statistical investigation of the effects of cutting parameters on kerf quality and surface roughness in laser cutting of Al 5083 alloy”, Surface Review and Letters, Vol. 28, Issue 10, Pages 2150093, 2021.
18. 18. Kıvak, T., “Optimization of surface roughness and flank wear using the Taguchi method in milling of Hadfield steel with PVD and CVD coated inserts”, Measurement, Vol. 50, Pages 19-28, 2014.
19. 19. Sammaiah, P., Rushmamanisha, K., Praveenadevi, N., Reddy, I.R., “The influence of process parameters on the surface roughness of the 3d printed part in FDM process”, In IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, Vol. 981, Issue. 4, Pages 042021, 2020. 20. Shirmohammadi, M., Goushchi, S.J., Keshtiban, P.M. “Optimization of 3D printing process parameters to minimize surface roughness with hybrid artificial neural network model and particle swarm algorithm”, Progress in Additive Manufacturing, Vol. 6, Issue 2, Pages 199-215, 2021.
20. 21. Özsoy, K., Erçetin, A., Çevik, Z.A., “Comparison of Mechanical Properties of PLA and ABS Based Structures Produced by Fused Deposition Modelling Additive Manufacturing”, Avrupa Bilim ve Teknoloji Dergisi, Cilt 27, Sayfa 802-809, 2021.
21. 22. Akgün, M., “Optimization of Process Parameters Affecting Cutting Force, Power Consumption and Surface Roughness Using Taguchi-Based Gray Relational Analysis in Turning AISI 1040 Steel”, Surface Review and Letters, Vol. 29, Issue 3, Pages 2250029, 2022.
22. 23. Özlü, B., Akgün, M., Demir, H., “AA 6061 Alaşımının tornalanmasında kesme parametrelerinin yüzey pürüzlülüğü üzerine etkisinin analizi ve optimizasyonu”, Gazi Mühendislik Bilimleri Dergisi, Cilt 5, Sayı 2, Sayfa 151-158, 2019.
23. 24. Yıldırım, Ç.V., “Grafit parçacık takviyeli nano akışkan kullanılarak AISI 316’nın frezelenmesinde yüzey pürüzlülüğü ve kesme sıcaklığının optimizasyonu”, Düzce Üniversitesi Bilim ve Teknoloji Dergisi, Cilt 7, Sayı 1, Sayfa 326-341, 2019.
24. 25. Cetin, M.H., Ozcelik, B., Kuram, E., Demirbas, E., “Evaluation of vegetable based cutting fluids with extreme pressure and cutting parameters in turning of AISI 304L by Taguchi method”, Journal of Cleaner Production, Vol. 19, Pages 2049-2056, 2011.