Mobilya Uygulamaları için FDM Tabanlı PLA+-Ahşap Hibrit Bağlantıların Yapışma ve Eğilme Davranışının İncelenmesi

Öz

Bu çalışmada, FDM baskılı güçlendirilmiş polilaktik asit (PLA+) bağlantı elemanları ve sarıçam (Pinus sylvestris L.) ağacından oluşturulan hibrit bağlantıların yapışma mukavemeti ve eğilme performansı üzerindeki farklı yapıştırıcı sistemlerinin (izosiyanat ve poliüretan (PU) D4) ve yüzey hazırlama işlemlerinin (zımparalanmış/zımparalanmamış) etkileri deneysel olarak incelenmiştir. Yüzey pürüzlülüğü (Ra), yapıştırmadan önce bir profilometre ile ölçülmüş, çekme testleri ASTM D3164-03'e göre, üç noktalı eğilme testleri ise ASTM D790-17'a göre yapılmıştır. Eğilme testleri, gerçek dünya kullanım koşullarını temsil etmek üzere PLA+ katmanının çekme ve sıkıştırma bölgesinde bulunduğu iki farklı yükleme konfigürasyonunda uygulanmış ve kırılma yüzeyleri optik mikroskop kullanılarak incelenmiştir. Elde edilen veriler, çok faktörlü varyans analizi (ANOVA) ve ardından Tukey HSD testleri kullanılarak istatistiksel olarak değerlendirilmiştir. Çekme testi sonuçları, izosiyanat bazlı yapıştırıcı ve zımparalanmış yüzey kombinasyonunun en yüksek yapışma mukavemetini (5.99 MPa) ve maksimum gerilimi (11.99 MPa) sağladığını göstermiştir. PU D4 bazlı yapıştırıcı genel olarak daha düşük performans göstermiş ve PU sisteminde zımparalamanın maksimum gerilim üzerinde anlamlı bir etkisi bulunmadığı görülmüştür. Üç noktalı eğilme testlerinde, yapıştırıcı türü birincil faktör olarak ortaya çıkarken, yüzey işleminin eğilme gerilimi üzerindeki etkisi ihmal edilebilir düzeyde kalmıştır. Kırılma modu analizleri, izosiyanat ile yapıştırılmış bağlantılarda ağırlıklı olarak alt tabaka kırılması şeklinde ve PU D4 ile yapıştırılmış bağlantılarda ise yapıştırıcı tabakası içinde kohezif kırılma olduğunu ortaya koymuştur. Bu bulgular, izosiyanat bazlı yapıştırıcıların mobilya ve özel üretim uygulamaları için FDM tabanlı hibrit bağlantıların yapısal performansını önemli ölçüde iyileştirdiğini göstermektedir.

Anahtar Kelimeler

• Eriyik katmanlı modelleme (FDM)
• Hibrit birleştirme
• Yüzey hazırlığı
• PLA+
• Çekme dayanımı

Investigation of Adhesion and Flexural Behavior of FDM-Based PLA+-Wood Hybrid Joints for Furniture Applications

Öz

In this study, the effects of different adhesive systems (isocyanate and polyurethane D4) and surface preparation processes (sanded/unsanded) on the adhesion strength and flexural performance of hybrid joints formed by fused deposition modelling (FDM) printed modified polylactic acid (PLA+) connectors and Scots pine (Pinus sylvestris L.) wood were experimentally investigated. Surface roughness (Ra) was measured with a profilometer prior to bonding, tensile tests were performed according to ASTM D3164-03, and three‑point bending tests were carried out according to ASTM D790-17. Flexural tests were applied in two different loading configurations, with the PLA+ layer located either in the tensile or compressive region to represent real-world usage conditions, and fracture surfaces were examined using an optical microscope. The obtained data were statistically evaluated using multifactor analysis of variance (ANOVA) followed by Tukey HSD tests. Tensile test results showed that the combination of isocyanate-based adhesive and sanded surface provided the highest adhesion strength (5.99 MPa) and maximum stress (11.99 MPa). PU D4-based adhesive generally exhibited lower performance, and the beneficial effect of sanding on maximum stress in the PU system was not statistically significant. In three‑point bending tests, adhesive type emerged as the primary factor, whereas the effect of surface treatment on bending stress was negligible. Fracture mode analyses revealed predominantly substrate failure for isocyanate-bonded joints and mainly cohesive failure within the PU D4 adhesive layer for PU D4-bonded joints. These findings indicate that isocyanate-based adhesives significantly improve the structural performance of FDM-based hybrid joints for furniture and customized production applications.

Anahtar Kelimeler

• Fused deposition modelling (FDM)
• Hybrid jointing
• Surface preparation
• PLA+
• Tensile strength

Kaynakça

1. A. Nicolau, M.A. Pop, C. Coșereanu, 3D printing application in wood furniture components assembling, Materials 15 (8) (2022) 2907. https://doi.org/10.3390/ma15082907.
2. H.R. Vanaei, K. Raissi, M. Deligant, M. Shirinbayan, J. Fitoussi, S. Khelladi, A. Tcharkhtchi, Toward the understanding of temperature effect on bonding strength, dimensions and geometry of 3D-printed parts, J. Mater. Sci. 55(29) (2020) 14677–14689. https://doi.org/10.1007/s10853-020-05057-9.
3. D.K.K. Cavalcanti, M. Medina, H.F.M.N. de Queiroz, J.S.S. Neto, F.J.P. Chaves, M.D. Banea, Recent advances in adhesive bonding of 3D-printed parts and methods to increase their mechanical performance, Ann. Dunarea Jos Univ. Galati, Fasc. XII, Weld. Equip. Technol. 34 (2023) 17–24. https://doi.org/10.35219/awet.2023.02.
4. M. Pizzorni, M. Benvenuto, E. Lertora, C. Mandolfino, Adhesive bonding of CFRP with a 3D-printed short-fiber composite: an experimental study on the effects of geometry and adhesive system on joint performance, Compos. Part B Eng. 294 (2025) 112155. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2025.112155
5. M. Kariž, D.K. Tomec, S. Dahle, M.K. Kuzman, M. Šernek, J. Žigon, Effect of sanding and plasma treatment of 3D-printed parts on bonding to wood with PVAc adhesive, Polymers 13(8) (2021) 1211. https://doi.org/10.3390/polym13081211.
6. D. Krapež Tomec, A. Balzano, J. Žigon, M. Šernek, M. Kariž, The effect of printing parameters and wood surface preparation on the adhesion of directly 3D-printed PLA on wood, J. Renew. Mater. 10(7) (2022) 1787–1796. https://doi.org/10.32604/jrm.2022.019760.
7. S. Hajdarević, M. Kitek Kuzman, M. Obućina, S. Vratuša, T. Kušar, M. Kariž, Strength and stiffness of 3D-printed connectors compared with the wooden mortise and tenon joints for chairs, Wood Mater. Sci. Eng. 18 (3) (2023) 870–883. https://doi.org/10.1080/17480272.2022.2086065.
8. D. Karabağ, M.A. Tekkanat, N. Anaç, O. Koçar, Investigation of adhesive bonding strength of wood added PLA materials, Furniture Wooden Mater. Res. J. 6 (2023) 26–38. https://doi.org/10.33725/mamad.1304449.

9. M. Li, Y. Wang, Y. Tang, Y. Qing, X. Li, L. Li, Y. Wu, M. Liu, Y. Zuo, Sustainably modified UF/pMDI hybrid resin: extended shelf life, low emissions, and particleboard bonding performance, Ind. Crops Prod. 233 (2025) 121437. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2025.121437.
10. E. Hozdić, E. Hozdić, Mechanical parameters and microstructural evolution of FDM-printed PLA and PLA+CF under variable infill architecture and lubricant exposure, Polymers 18(1) (2025) 72. https://doi.org/10.3390/polym18010072.
11. L. Liu, M. Lin, Z. Xu, M. Lin, Polylactic acid-based wood-plastic 3D printing composite and its properties, BioResources 14(4) (2019) 8484–8498. https://doi.org/10.15376/biores.14.4.8484-8498.
12. M. Kariž, M. Šernek, M. Kitek Kuzman, Effect of humidity on 3D-printed specimens from wood-PLA filaments, Wood Res. 63 (5) (2018) 917–922.
13. S. Ge, Y. Shi, X. Chen, Y. Zhou, M. Naushad, M. Verma, S.S. Lam, H.S. Ng, W.-H. Chen, C. Sonne, W. Peng, Sustainable upcycling of plastic waste and wood fibers into high-performance laminated wood-polymer composite via one-step cell collapse and chemical bonding approach, Adv. Compos. Hybrid Mater. 6 (2023) 146. https://doi.org/10.1007/s42114-023-00723-3.
14. M. Kariž, M.K. Kuzman, M. Šernek, Adhesive bonding of 3D-printed ABS parts and wood, J. Adhes. Sci. Technol. 31 (15) (2017) 1683–1690. https://doi.org/10.1080/01694243.2016.1268414.
15. M.R. Khosravani, P. Soltani, K. Weinberg, T. Reinicke, Structural integrity of adhesively bonded 3D-printed joints, Polym. Test. 100 (2021) 107262. https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2021.107262.
16. ASTM D3164-03, Standard test method for strength properties of adhesively bonded plastic lap-shear sandwich joints in shear by tension loading, ASTM International, West Conshohocken, PA, USA, 2003.
17. ASTM D790-17, Standard test methods for flexural properties of unreinforced and reinforced plastics and electrical insulating materials, ASTM International, West Conshohocken, PA, USA, 2017.
18. ASTM D5573-99, Standard Practice for Classifying Failure Modes in Fiber-Reinforced-Plastic (FRP) Joints, ASTM International, West Conshohocken, PA, USA, 2019.
19. M. Acaroğlu, Ö. Öz, F.H. Öztürk, Eklemeli imalat yöntemi ile üretilmiş PLA levhaların bağlantı dayanımları: indüksiyonla ısıtma ve yapıştırıcı teknolojilerinin karşılaştırılması, Afyon Kocatepe Univ. J. Sci. Eng. 24 (4) (2024) 993–1004. https://doi.org/10.35414/akufemubid.1470936.
20. N. Polat, N. Anaç, F. Mert, Eklemeli imalat ile üretilen PLA parçaların yapıştırılmasında yapıştırma parametrelerinin mekanik dayanımına etkisinin incelenmesi, Politeknik Derg. 26(3) (2023) 1145–1154. https://doi.org/10.2339/politeknik.1110932.
21. S. Dağlı, FDM ve SLA 3D baskı yöntemleriyle üretilen parçaların yapıştırma performansının incelenmesi, İmalat Teknol. Uygulamaları 6 (1) (2025) 100–110. https://doi.org/10.52795/mateca.1635653.
22. B. Avcı, A. Dönmez Çavdar, F. Mengeloğlu, Odun polimer kompozitlerin doğal ve yapay (suni) yaşlandırma sonrası özelliklerinde meydana gelen değişiklikler, Ormancılık Araştırma Derg. 9 (2022) 264–270. https://doi.org/10.17568/ogmoad.1091198.