Holding strength of auxetic dowels designed for frame furniture joints in scotch pine (Pinus sylvestris L.) and poplar (Populus nigra L.) plywood

Öz

In this study, auxetic dowels were designed to be used in frame construction furniture joints, produced with three-dimensional (3D) printer technology and the holding strength of these dowels with Scots pine (Pinus sylvestis L.) and 20 mm thick poplar (Populus nigra L.) plywood (KKP) was investigated. For this purpose, 4 different dowel designs with auxetic cross-sectional geometry were developed and then, designed auxetic dowels were produced with a 3D printer with Polylactic Acid (PLA), Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS), and Acrylonitrile Styrene Acrylate (ASA) filaments (dowel material). In the designed auxetic dowels, the outer surfaces are designed as threaded in order to eliminate the use of glue during assembly. Within the scope of the study, a total of 120 parallel to grain (from edge) and 120 perpendicular to grain (from surface) withdrawal test specimens, including 2 wood materials, 2 outer surface thread geometries, 2 auxetic pattern types, 3 different dowel materials (filaments) and 5 replications from each group, were prepared and tested under static load. As a result of the experiments, KKP among the wooden materials and PLA among the filaments gave the best results; while the highest holding strength values have been obtained with the dowels with a triangular auxetic pattern and isosceles triangular thread among the auxetic dowels.

Anahtar Kelimeler

• Auxetic
• dowel
• furniture joint
• holding strength.

Çerçeve konstrüksiyonlu mobilya birleştirmeleri için tasarlanan auksetik kavelaların sarıçam (Pinus sylvestris L.) ve kavak (Populus nigra L.) kontrplak ile tutma mukavemeti

Öz

Bu çalışmada, çerçeve konstrüksiyonlu mobilya birleştirmelerinde kullanılmak üzere auksetik kavelalar tasarlanmış, üç boyutlu (3B) yazıcı teknolojisiyle üretilmiş ve bu kavelaların Sarıçam (Pinus sylvestis L.) ve 20 mm kalınlığındaki kavak (Populus nigra L.) kontrplak (KKP) ile tutma mukavemetleri araştırılmıştır. Bu amaçla, auksetik özellikli enine kesit geometrisine sahip 4 farklı kavela tasarımı gerçekleştirilmiş ve 3B yazıcıyla Polilaktik Asit (PLA), Akrilonitril Butadiyen Stiren (ABS) ve Akrilonitril Stiren Akrilat (ASA) filamentlerinden üretilmiştir. Tasarlanan kavelalarda, birleştirme sırasında tutkal kullanımını elimine etmek amacıyla dış yüzeyler dişli olarak dübel şeklinde tasarlanmıştır. Çalışma kapsamında, 2 ağaç malzeme, 2 dış yüzey diş geometrisi, 2 auksetik desen tipi, 3 farklı filament ve her bir gruptan 5 yineleme olmak üzere toplam 120 adet liflere paralel (kenardan) çekme, 120 adette liflere dik (yüzeyden) çekme deney örneği hazırlanmış ve statik yük altında test edilmiştir. Deneyler sonucunda, ahşap malzemelerden KKP, filamentlerden de PLA en iyi tutma mukavemetini verirken; auksetik kavelalardan ise üçgen biçimli auksetik desene sahip ve ikizkenar üçgen dişli kavelalar ile en yüksek tutma mukavemeti elde edilmiştir.

Anahtar Kelimeler

• Auksetik
• kavela
• mobilya birleştirmesi
• tutma mukavemeti

Kaynakça

1. ASTM International, (2017). ASTM D3039/D3039M–17 Standard test method for tensile properties of polymer matrix composite materials; ASTM International: West Conshohocken, PA, USA.
2. Ceylan, E., Kasal, A., Smardzewski, J., Kuşkun, T., Yüksel, M., (2024). Mobilya birleştirmeleri için tasarlanan auksetik kavelaların montaj kuvvetlerinin belirlenmesi, 4. Uluslararası Lisansüstü Çalışmalar Kongresi, IGSCONG’24, 5–8 June 2024, Bildiri Kitabı sf: 432-444
3. Eckelman, C. A., (2003). Textbook of product engineering and strength design of furniture, Purdue University, West Lafayette, Indiana, 65-67.
4. Evans, K. E., Nkansah, M. A., Hutchinson, I. J., & Rogers, S. C., (1991). Molecular network design, Nature, 353, 124. DOI: 10.1038/353124a0
5. Kasal, A., Kuşkun, T., & Smardzewski, J., (2020). Experimental and numerical study on withdrawal strength of different types of auxetic dowels for furniture joints, Materials, 13(19), 4252. DOI: 10.3390/ma13194252 Kasal, A., Kuşkun, T., Smardzewski J., & Güray, E., (2023). Analyses of L-type corner joints connected with auxetic dowels for case furniture, Materials, 16(13): 4547. DOI: 10.3390/ma16134547
6. Kuşkun, T., Smardzewski, J., & Kasal, A., (2021). Experimental and numerical analysis of mounting force of auxetic dowels for furniture joints, Engineering Structures, 226, 111351. DOI: 10.1016/j.engstruct.2020.111351
7. Kuşkun, T., Kasal, A., Çağlayan, G., Ceylan, E., Bulca, M., & Smardzewski, J., (2023). Optimization of the cross-sectional geometry of auxetic dowels for furniture joints, Materials, 16(7), 2838. DOI: 10.3390/ma16072838 Lakes, R., (1987). Foam structures with a negative poisson's ratio, Science, 235(4792), 1038-1041. DOI: 10.1126/science.235.4792.1
8. Lim, T. C., (2015). Auxetic materials and structures (1. baskı). Singapore: Springer Singapore, DOI: 10.1007/978-981-287-275-3

9. Örs, Y., Efe, H., (1998). The mechanical behavior properties of fasteners in furniture design for frame construction, Turkish Journal of Agriculture and Forestry, 22, 21-28.
10. Ren, X., Shen, J., Tran, P., Ngo, T. D., Xie, & Y. M., (2018). Auxetic nail: Design and experimental study, Composite Structures, 184, 288-298. DOI: 10.1016/j.compstruct.2017.10.013
11. Smardzewski, J., & Prekrat, S., (2011). Design of small auxetic springs for office furniture, Proceedings of International Conference wood is good – EU preaccession chalenges of the sector, Zagreb, 173-182. DOI: 10.5555/20113406431
12. Smardzewski, J., (2013a). Auxetic springs for seating, Turkish Journal of Agriculture and Forestry, 37(3), 369-376. DOI: 10.3906/tar-1204-64
13. Smardzewski, J., (2013b). Elastic properties of cellular wood panels with hexagonal and auxetic cores, Holzforschung, 67(1), 87-92. DOI: 10.1515/hf-2012-0055
14. Smardzewski, J., Robert K., & Beata F., (2013). Design of small auxetic springs for furniture, Materials & Design, 51:723-728. DOI: 10.1016/j.matdes.2013.04.075
15. Smardzewski, J., Wojciechowski, K. W., & Poźniak, A., (2018). Auxetic lattice truss cores fabricated of LayWood, BioResources, 13(4), 8823-8838. DOI: 10.15376/biores.13.4.8823-8838
16. TS ISO 13061-1 (2021). Odunun fiziksel ve mekanik özellikleri – kusursuz küçük ahşap numunelerin deney yöntemleri - bölüm 1: fiziksel ve mekanik deneyler için nem muhtevasının belirlenmesi. T.S.E. Ankara, Türkiye.
17. TS ISO 13061-2 (2021). Odunun fiziksel ve mekanik özellikleri – kusursuz küçük ahşap numunelerin deney yöntemleri - bölüm 2: fiziksel ve mekanik deneyler için yoğunluğun belirlenmesi. T.S.E. Ankara, Türkiye.
18. TS ISO 13061-3 (2021). Odunun fiziksel ve mekanik özellikleri - Kusursuz küçük ahşap numunelerin deney yöntemleri - Bölüm 3: Statik eğilmede nihai mukavemet tayini. T.S.E. Ankara, Türkiye.
19. TS ISO 13061-4 (2021). Odunun fiziksel ve mekanik özellikleri - kusursuz küçük ahşap numunelerin deney yöntemleri - bölüm 4: statik eğilmede elastikiyet modülünün tayini. T.S.E. Ankara, Türkiye.