Investigation of the Effect of Bonding Parameters on the Mechanical Strength of the Joint in the Adhesive Bonding of PLA Materials Produced by Additive Manufacturing

Bu makale için 25 Eylül 2024 tarihinde bir düzeltme yayımlandı. https://dergipark.org.tr/tr/pub/politeknik/article/1563773

Öz

From the past to the present, plastic materials are used extensively in all areas of the industry, thanks to their shaping capabilities. Especially in the last 10 years, with the proliferation of desktop type 3D printers in the additive manufacturing sector, thermoplastics have become the most widely used plastic material. Therewith, the assembly of materials produced by this method has gained so much importance. Since plastic materials have low surface energy, there are difficulties in performing the adhesive bonding process, which is a popular joining method, and some issues (adhesive type, surface cleaning, etc.) should be carefully considered. In this study; PLA sheets were produced by means of additive manufacturing method and joined with two different adhesives (Loctite 9492 and Terason 9225). For surface preparation, mechanical sanding was performed using 320 and 600 grit size SiC sandpaper. Adhesive bonding joints were created from PLA-PLA material with three different adhesive thicknesses (0.3, 0.18 and 0.1mm). Joints were subjected to tensile test and their mechanical properties were examined. The results showed that high fill ratio in 3D printing increases the strength of parts. In addition, the strength of the adhesively bonded surfaces is affected by the variation of the adhesive thickness and the adhesive type. Whilst an increase in the adhesive thickness increases the strength of Loctite EA 9492 joints; just an opposite effect in Teroson PU 9225 joints was observed.

Anahtar Kelimeler

• Additive manufacturing
• PLA
• adhesive bonding joint
• mechanical strength

Eklemeli İmalat ile Üretilen PLA Parçaların Yapıştırılmasında Yapıştırma Parametrelerinin Mekanik Dayanımına Etkisinin İncelenmesi

Bu makale için 25 Eylül 2024 tarihinde bir düzeltme yayımlandı. https://dergipark.org.tr/tr/pub/politeknik/article/1563773

Öz

Geçmişten günümüze plastik malzemeler şekillendirme kabiliyetleri sayesinde endüstrinin her alanında yoğun olarak kullanılmaktadırlar. Özellikle son 10 yılda eklemeli imalat sektöründe masa tipi 3B yazıcıların yaygınlaşmasıyla termoplastikler en çok kullanılan plastik malzeme çeşidi olmuştur. Bununla beraber bu yöntemle üretilen parçaların montajı da bir o kadar önem kazanmıştır. Plastik malzemeler düşük yüzey enerjisine sahip oldukları için yapışkanlı birleştirme işleminin gerçekleştirilmesinde zorluklar vardır. Bu hususta en önemli işlem parametreleri yapıştırıcı tipi, parça yüzey temizliği ve yapıştırma kalınlığıdır. Bu çalışmada; eklemeli imalat yöntemi ile PLA levhalar üretilmiş ve iki farklı yapıştırıcı (Loctite 9492 ve Terason 9225) ile birleştirilmiştir. Yüzey hazırlığı için 320 ve 600 SiC zımpara kullanılarak mekanik zımparalama yapılmıştır. Üç farklı yapıştırıcı kalınlığı (0,3 0,18 ve 0,1mm) ile PLA-PLA malzeme çiftinden yapıştırma bağlantıları oluşturulmuştur. Bağlantılar çekme testine tabi tutularak mekanik özellikleri incelenmiştir. Sonuçlar, 3B baskıda farklı doluluk oranlarında (%100, %80, %60, %40 ve %20) yapılan baskı sonucunda, doluluk oranının yüksekmesiyle birlikte parça mukavemeti artış göstermiştir. Sonuçlar yapıştırma bağlantı mukavemetinin yapıştırıcı çeşidine bağlı olarak yapıştırma kalınlığının değişiminden ters korelasyonlu olarak etkilendiğini ortaya koymuştur. Yapıştırıcı kalınlığının artması Loctite EA 9492 bağlantılarının mukavemetini arttırırken, Teroson PU 9225 bağlantılarında ise tam tersi etki yaratmaktadır.

Anahtar Kelimeler

• Eklemeli imalat
• PLA
• yapıştırma bağlantısı
• mekanik dayanım

Kaynakça

1. [1] Sürmen H.K., “Eklemeli İmalat (3b Baskı): Teknolojiler VeUygulamalar”, Uludağ Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Dergisi, 24: 2, (2019).
2. [2] Özsolak O., “Eklemeli imalat yöntemleri ve kullanılan malzemeler”, International Journal of Innovative Engineering Applications, 3: 9-14, (2019).
3. [3] Kariz M., Kuzman M.K., Sernek M., “Adhesive bonding of 3D-printed ABS parts and wood”, Journal of Adhesion Science and Technology, 31 (15): 1683–1690 (2017).
4. [4] Arenas J.M., Aliá C., Blaya F., Sanz A., “Multi-criteria selection of structural adhesives to bond ABS parts obtained by rapid prototyping”,International Journal of Adhesion & Adhesives, 33: Pages 67-74, (2012).
5. [5] Çelik K., Özkan A., “Eklemeli İmalat Yöntemleri İle Üretim ve Onarım Uygulamaları”, Düzce Üniversitesi Bilim ve Teknoloji Dergisi, 5: 107-121, (2017).
6. [6] KartalF., “Taguchı Metodolojisi İle Erıyık Yığma Modelleme Süreci Parametrelerinin Optimizasyonu”, Internatıonal Journal Of 3d Prıntıng Technologıes and Dıgıtal Industry,1: 49-56, (2017).
7. [7] Ramezani D.H., Barbe F.,Delbreilh L.,Ben A.M., Guillet A., Breteau T., “Polymer additive manufacturing of ABS structure: Influence of printing direction on mechanical properties", Journal of Manufacturing Processes, 44: 288–298, (2019).
8. [8] Rohde S., CantrellJ., Jerez A., Kroese C., Damiani D., Gurnani R., Disandro L., Anton J., Young A., Steinbach D.,Ifju P.,“Experimental characterization of the mechanical properties of 3D-printed ABS and polycarbonate parts” Experimental Mechanics,58:871–884, (2018).

9. [9] Kovan V., Altan G., Topal E.S., “Effect of layer thickness and print orientation on strength of 3D printed and adhesively bonded single lap joints”, Journal of Mechanical Science and Technology, 31 (5): 2197~2201, (2017).
10. [10] Birosz M.T., AndóM., JeganmohanS., “Finite Element Method modeling of Additive Manufactured Compressor Wheel”, J. Inst. Eng. India Ser. D, 102: 79-85, (2021).
11. [11] Günay M., Gündüz S., Yılmaz H., Yaşar N., Kaçar R., “PLA esaslı numunelerde çekme dayanımı için 3D baskı işlem parametrelerinin optimizasyonu”, Politeknik Dergisi, 23(1) : 73-79, (2020).
12. [12] Ekşi O., “Plug Production for Thermoforming using Fused Deposition Modelling”, Politeknik Dergisi, 25(1) : 417-426, (2022).
13. [13] Kam M., Saruhan H., İpekçi A., “FDM Yöntemi ile Üretilen Kovan Yatakların Titreşimi Sönümleme Kabiliyetlerinin Deneysel Analizi”, Politeknik Dergisi, 25(1) : 137-143, (2022).
14. [14] Bacak S., Varol Özkavak H., Tatlı M., “FDM yöntemi ile üretilen PLA numunelerin çekme özelliklerine işlemparametrelerinin etkisinin incelenmesi”, Mühendislik Bilimleri ve Tasarım Dergisi, 9(1), 209 – 216, (2021).
15. [15] Evlen H., Erel G., Yılmaz E.,“Açık ve Kapalı Sistemlerde Doluluk Oranının Parça Mukavemetine Etkisinin İncelenmesi”, Politeknik Dergisi, 21(3): 651-662, (2018).
16. [16] Bürenhaus F., Moritzer E., Hirsch A.,“Adhesive bonding of FDM-manufactured parts made of ULTEM 9085 considering surface treatment, surface structure, and joint design”, Weld World, 63:1819–1832, (2019).
17. [17] KarabıyıkA.,“Eklemeli imalat yöntemiyle PLA malzemeden üretilen ürünlerin mekanik özelliklerinin incelenmesi”, Uluslararası Teknolojik Bilimler Dergisi, 13(2), 62-68, (2021).
18. [18] Frascioa M., Moroni F., Marques E., Carbas R., Reis M., Monti M.,Avalle M., L.F.M. da Silva, “Feasibility study on hybrid weld-bonded joints using additive manufacturing and conductive thermoplastic filament”,Journal of Advanced Joining Processes 3, 100046, (2021).
19. [19] AndóM., BiroszM., Jeganmohan S., “Measurement Surface bonding of additive manufactured parts from multi-colored PLA materials”,Measurement,169:108583, (2021).
20. [20] ASTM D638-10, " Standard Test Method for Tensile Properties of Plastics ", (15 May 2010).
21. [21] ZAXE, PLA 3D Filament Technical Data Sheet, https://www.zaxe.com/filaments/, 10.03.2022
22. [22] ASTM D3163-01 "Standard Test Method for Determining Strength of Adhesively Bonded Rigid Plastic Lap-Shear Joints in Shear by Tension Loading”, (2014)
23. [23] ISO 21920-2:2021 “Geometrical product specifications (GPS) — Surface texture: Profile — Part 2: Terms, definitions and surface texture parameters”, (2021)
24. [24] Frascio M., Mandolfino C., Moroni F., Jilich M., Lagazzo A., Pizzorni M., Bergonzi L., Morano C., Alfano M., Avalle M., “Appraisal of surface preparation in adhesive bonding of additive manufactured substrates”, International Journal of Adhesion & Adhesives, 106: 102802, (2021).
25. [25] KortaJ., MlyniecA., Uhl T.,“Experimental and numerical study on the effect of humidity-temperature cycling on structural multi-material adhesive joints”, Composites Part B, 79: 621-630, (2015).
26. [26] Technical Data Sheet TEROSON PU 9225, 18.04.2022 tarihinde Teroson sitesi: http://tds.henkel.com/tds5/Studio/ShowPDF/243%20NEWEN?pid=TEROSON%20PU%209225&format=MTR&subformat=TERO&language=EN&plant=WERCS.
27. [27] Technical Data Sheet LOCTITE® EA 9492 Bilinen adı ile Hysol 9492, 18.04.2022 tarihinde Loctite sitesi: http://tds.henkel.com/tds5/Studio/ShowPDF/?pid=EA%209492&format=MTR&subformat=HYS&language=TR&plant=WERCS.
28. [28] Adams, R. D., Peppiatt, N. A. 1974. “Stress Analysis of Adhesive-Bonded Lap Joints,” The Journal of Strain Analysis for Engineering Design, vol. 9, no. 3, p. 185-196.
29. [29] Cognard, P. 2006. Adhesives and Sealants: General Knowledge, Application Techniques, New Curing Techniques, Elsevier, Amsterdam.
30. [30] TS EN ISO 10365 “Yapıştırıcılar- Başlıca kusurların gösterilmesi”, (18.04.2022)