Geri Dön

Manufacturing and characterization of polymer composites by using selective laser sintering 3D printing method

Seçici lazer sinterleme 3D baskı yöntemiyle polimer kompozitlerin üretim ve karakterizasyonu

PDF İndir

  1. Tez No: 709840
  2. Yazar: BURÇİN ÖZBAY
  3. Danışmanlar: PROF. DR. İBRAHİM ERSİN SERHATLI
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Polimer Bilim ve Teknolojisi, Polymer Science and Technology
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2021
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Polimer Bilim ve Teknolojisi Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 94

Özet

Eklemeli imalat 1960 ve 1990 arasında keşfedilmekle birlikte, son on beş yılda hızla gelişen ve dünya genelinde yaygın olarak kullanılan bir imalat yöntemidir. Bu yöntemde toz, reçine ya da filament şeklindeki başlangıç malzemesi, iki boyutlu tabakalar halinde katman katman imal edilerek üç boyutlu, belirli bir hacme ve dayanıma sahip nihai ürünler haline getirilir. Elde edilen nihai ürünler, geleneksel yöntemlerle üretilen ürünlerle kıyaslanabilecek üstün özelliklere sahiptir. Eklemeli imalat yönteminde iki boyutlu tabakalar arasında, üretim sırasında kurulan bağlar nihai ürünün oldukça iyi dayanım özelliklerine sahip olmasına neden olur. Bu bağların kurulmasında eklemeli imalatın temelini oluşuran sinterleme ve ergitme proseslerinin önemi vardır. Sinterleme ya da ergitme temelli proseslerde, ortaya çıkan enerji katmanlar arasında kuvvetli bağlar kurulmasını sağlar. Hızla gelişen bu teknolojinin incelenmesi birçok uygulama alanı için önem taşımaktadır. Eklemeli imalatın, prosesin temelini oluşturan yönteme göre birçok çeşidi bulunmaktadır. Son yıllarda özellikle ergitme ve sinterleme temelli eklemeli imalat yöntemleri oldukça yaygın kullanılmaya başlanmıştır. Bu yöntemler arasında bulunan ve gelişmiş eklemeli üretim yöntemlerinden biri olan Seçici Laser Sinterleme (SLS), termoplastik polimer ve polimer kompozitlerin üretiminde kullanılmaktadır. Söz konusu yöntemde, hammadde toz şeklinde sisteme beslenir ve sıcaklık ve lazer yardımıyla sinterleme prosesi aktive edilip katmanlar arasında istenen bağlar kurularak üç boyutlu nihai ürünler elde edilir. Bu yöntemle üretilen termoplastikler ve termoplastik matrisli kompozitler otomotiv, biyomedikal, havacılık, elektrik ve elektronik gibi pek çok alanda büyük kullanım ve uygulama potansiyeline sahiptirler. Bu alanda, içi boş cam mikroküreler kullanılarak üretilen polimer matrisli kompozitlerle hafiflik sağlanabilir. Söz konusu ürünler havacılık ve otomotiv endüstrilerinde, yakıt verimliliğin artırılması ve CO2 emisyonun azaltılması açısından, yapısal bileşenlerde ise hafifletme için oldukça önemlidir. Öte yandan kullanılacak farklı katkı maddeleri ile polimerlerin yanma geciktirme, elektirik iletkenliği gibi özellikleri de geliştirilebilir. SLS yönteminin kompozit malzeme üretiminde kullanılması, uygun şekilde karıştırılmış polimer hammadde ve takviye tozlarının üretim sistemine beslenmesi ve uygulanan sıcaklık ve lazer prosesi ile birlikte kompozit malzeme üretimlerinin gerçekleşmesi şeklinde oluşmaktadır. Matris malzemesini oluşturan tozlar ile takviye elemanı olarak kullanılacak tozlar için sinterlenebilirlik özelliği ve tanecik boyutu gibi bazı sınırlandırmalar bulunmaktadır. Eklemeli imalat ile polimer kompozitlerin eldesinde, sinterleme penceresi oldukça önemli bir parametredir. Geniş sinterleme penceresine sahip olan polimerler, SLS yöntemiyle üretime daha yatkın malzemelerdir. Bu nedenle poliamidler, özellikle Poliamid 12 (PA 12) eklemeli imalatta kullanılmaya oldukça uygun bir hammaddedir. Bu çalışma eklemeli imalat ile PA 12 matrisli kompozit malzemelerin üretimine odaklanmıştır. Çalışma kapsamında farklı takviye malzemeleri kullanılarak PA 12 matrisli kompozit malzemelerin üretiminde hem eklemeli imalat prosesi parametreleri hem de üretilen nihai ürün özellikleri araştırılmıştır. Bu amaçla çalışma dört ana başlık altında yürütülmüştür. Malzemelerin SLS yöntemiyle üretilmesinde EOS P 110 (EOS GmbH) cihazı kullanılmıştır. Polimer matrisli kompozitlerin karışımlarının hazırlanmasında döner karıştırıcı kullanılmıştır. Üretim sırasında her bir katman 100 mikron kalınlığa sahip olacak şekilde oluşturulmuştur ve sinterleme etkisi ile katmanlar arasında uygun bir bağ kuvveti kurulmasıyla, nihai ürünün üretimi sağlanmıştır. Kompozit malzeme üretiminde kullanılan tozlara ve sinterleme sonucunda elde edilen nihai ürünlere karakterizasyon testleri uygulanmıştır. Karakterizasyon testleri için öncelikle DSC analizleri ile sinterleme penceresi verisinden yola çıkılarak üretim sıcaklığı; lazer gücü, tarama hızı ve tarama aralığı gibi lazer verilerinin optimum değer aralıkları ve değerleri belirlenmiştir. Kompozit malzemelerin karakterizasyonunda ise mekanik ve fiziksel testler uygulanmıştır. Kompozit malzemelere uygulanan çekme ve eğme testleri ile hem dayanım değerleri belirlenmiş hem de uzama değerleri ortaya konmuştur. Charpy darbe deneyleriyle de malzemelerin kırılma anında sönümledikleri enerji değerleri araştırılmıştır. Böylece malzemelerin dayanım, uzama, darbe dayanımı gibi özellikleri belirlenmiştir. Öte yandan ilgili çalışmalarda üretilen kompozitlerin elektiriksel iletkenlik ve yanma geciktirme özellikleri de tespit edilmiştir. Uygulanan tüm testler uygun olan ISO ve ASTM standartlarına göre gerçekleştirilmiştir. Çalışmanın ilk bölümünde, takviye malzemesi olarak kullanılacak olan içi boş cam mikroküreler farklı oranlarda (ağırlıkça %10, %15 ve %20) kullanılarak kompozit malzemeler üretilmiştir. Öncelikle PA 12 matris malzemesinin içi boş cam küreler ile takviye edilmesiyle, malzemenin sinterleme davranışı üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Sonrasında ise içi boş cam küre takviyeli kompozit malzemeler üretilmiş ve yoğunluk değerleri ile mekanik özellikleri incelenmiştir. Yapılan incelemeler sonucunda ağırlıkça %20 oranında içi boş cam mikroküre içeren kompozit malzemenin optimum özelliklere sahip olduğu belirlenmiştir. Çalışmanın ikinci bölümünde önceki kısımda belirlenen optimum içi boş cam mikroküre oranının farklı tür mikroküre katkıların kullanılmasıyla malzeme özellikleri üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Seçilen farklı türdeki cam mikroküreler PA 12 matrisine katkılandırılmış ve cam mikrokürenin poliamid yapısına olan etkisi incelenmiştir. Kompozit malzeme içerisindeki takviye malzemesinin (içi boş cam mikroküre türü) malzeme özellikleri üzerinde etkisi olduğu belirlenmiştir. İçi boş cam mikroküre türünün değişmesiyle, özellikle kompozit malzemelerin sergiledikleri mekanik davranış değişmiş ve çekme dayanımı, eğme dayanımı, uzama ve darbe dayanımı gibi mekanik özellikler PA 12 matris malzemesine göre farklılaşmıştır. Sonuç olarak çalışmanın bu bölümünde farklı türdeki içi boş cam küre türlerinin aynı oranda kullanılmasıyla, içi boş cam mikroküre türünün PA 12 kompozit malzeme üzerindeki etkisi ortaya konulmuştur. Çalışmanın üçüncü bölümünde, takviye malzemesi türünün değişmesiyle nihai ürün olan kompozit malzemenin özelliklerinin değişimi araştırılmıştır. Bu bölümde kompozit malzeme üretimi için PA 12 matrisi içerisine metal esaslı bakır katkılar ilave edilmiştir. Takviye malzemesi türü ve özellikleri, üretilecek kompozit malzeme özellikleri açısından oldukça önemlidir. Metaller dayanım ve şekil değiştirme kabiliyetleri yüksek, ısı ve elektrik iletkenliği olan malzemelerdir. PA 12 matrisinin bakır ile katkılandırılması söz konusu özellikler açısından olumlu sonuçlar vermiştir. Metal katkının PA 12 matrisi üzerindeki etkisini daha iyi ortaya koymak amacıyla küresel ve dendritik morfolojiye sahip iki ayrı bakır toz ile çalışılmıştır. Böylece bakır toz morfolojisinin etkisi de detaylı olarak araştırılabilmiştir. Bakır katkılı kompozit malzemelerin üretiminde iki farklı türdeki katkı ağırlıkça %15 oranında PA 12 polimer yapısına ilave edilmiştir. Takviye oranının sabit bir değerde seçilmesiyle, bakır toz morfolojisinin etkisi üzerine yoğunlaşılmıştır. Bakırın yüksek ısıl ve elektriksel iletkenliği nedeniyle, PA 12 yapısının söz konusu özelliklerine odaklanılması elzem hale gelmiştir. Bu nedenle, PA 12 matris yapısının ve bakır katkılı kompozit malzemelerin elektriksel özellikleri, ısıl kararlılığı ve davranışı, kristalizasyon kinetiği ve ısı kapasitesi analiz edilmiştir. Araştırmanın son bölümünde SLS ile üretilen polimer kompozitlerin alev geciktirici özellikleri incelenmiştir. PA 12 matrisli kompozit malzemelerin katkılandırılmasının mekanik özelliklerindeki değişimiyle birlikte, alev geciktirici özellikleri de önem kazanmaktadır. Mekanik özellik açısından teknik olarak kullanılabilecek bir PA 12 matrisli kompozitin, alev geciktirme özellikleri açısından takviye edilmemiş PA 12'ye alternatif bir malzeme olabilmesi için alev geciktirici özelliğinin de istenen kriter ve standartları sağlaması gerekmektedir. Bu amaçla son bölümde üretilen malzemelerin alev geciktirme özelliklerine odaklanılmıştır. PA 12 matris malzemesinin ve üretilen kompozit malzemelerin alev geciktirme özellikleri LOI ve UL-94 testleri ile analiz edilmiştir. Böylece alev geciktirme özelliği açısından da PA 12 matrisli kompozit malzemelerin özellikleri araştırılmıştır.

Özet (Çeviri)

From the early invention of Additive Manufacturing (AM) from the 1960s to the 1990s, it has been rapidly developing worldwide within the last fifteen years. Studying this fast-growing technology has great importance for many application areas. Additionally, Selective Laser Sintering (SLS) is one of the improved methods of additive manufacturing and is crucial to develop thermoplastics and their composites. The thermoplastic material and thermoplastic matrix composite materials produced by this method have great potential to be used in the automotive and biomedical industries, aerospace and electric electronic sectors, and many others. In this area, hollow featured additives can be used to achieve lightweighted polymer composite structures. The density reduction is significant in enhancing fuel efficiency and reducing CO2 emissions in the aerospace and automotive industries. In the first part of the study, a Hollow Glass Microspheres (HGM) additive amount (10 wt. %, 15 wt. %, 20 wt. %) effects on Polyamide 12 (PA 12) polymer composite sintered parts as a means of the final density and mechanical properties of the composite structures were investigated. As the result of the study, the optimum HGM addition amount was detected as 20 wt. %. After that the second part of the study has been started with the detected optimum amount of HGM addition to PA 12. The study aims to determine the effects of different types and the same amount of hollow featured additives on polyamide polymeric structures, which have been produced by SLS-AM technology. This part of the research covers the comparison of the same amount, and different types of Hollow Glass Microspheres (HGMs) filled Polyamide 12 (PA 12) polymer composites. In the third part of the study, the metal additive effects on PA 12 polymer matrix were investigated. The electrical, thermal and mechanical effects of copper fillers on the PA 12 polymer matrix were examined. Two various types of Cu particles (spherical and dendritic) were introduced to the PA 12 polymer matrix in the same proportion (15 wt. %) as fillers. The thermal stability and thermal behaviors, crystallization kinetics, and heat capacities of copper-filled mixes and unfilled PA 12 were also analyzed. And the electrical conductivity of unfilled PA 12 and produced Cu-filled polymer composites were analyzed. In the last part of the research, the flame retardancy properties of polymer composites that were produced by SLS, were investigated. Different types and the same amount of fire retardant additives were added to PA 12 polymer matrix. And unfilled PA 12 and produced polymer composites were analyzed in terms of mechanical characteristics and flame retardancy features. For the SLS-AM processing EOS P 110 (EOS GmbH) SLS production machine with 100 microns of layer height was used in the study. To prepare polymer composite powder mixtures, a rotary tumbler was used. For powder and sintered samples, material characterization tests were performed. All mechanical tests (tensile, 3 point bending, notched Charpy impact tests, and DMA) were performed according to the related ISO standards. On the other hand, the sintering window area detections were obtained by DSC graphs. They were used to determine optimum laser sintering process parameters, which are laser power, scan speed, and scan spacing.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    885609

    Seçici lazer sinterleme eklemeli imalat yöntemiyle termoplastik matrisli kompozitlerin üretimi ve karakterizasyonu

    Fabrication and characterization of thermoplastic composites by selective laser sintering additive manufacturing method

    UMUT CAN CİNGÖZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Mühendislik BilimleriYıldız Teknik Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ALPTEKİN KISASÖZ

    DR. ÖĞR. ÜYESİ BURÇİN ÖZBAY KISASÖZ

  2. Tez No

    720064

    Manufacturing fluidic and heat transfer devices withpolymer materials using selective transmission laserwelding

    Başlık çevirisi yok

    OGUZHAN DER

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2020

    Polimer Bilim ve TeknolojisiUniversity of Liverpool

    DR. VOLFANGO BERTOLA

    DR. STUART EDWARDSON

  3. Tez No

    635490

    Numerical and experimental investigation on the crushing behaviour of auxetic lattice cells produced with additive manufacturing techniques

    Eklemeli imalat teknikleri ile üretilmiş ökzetik kafes yapıların ezilme davranışlarının nümerik ve deneysel olarak incelenmesi

    KADİR GÜNAYDIN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2020

    Havacılık Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HALİT SÜLEYMAN TÜRKMEN

    DR. ÖĞR. ÜYESİ ANTONIO MATTIA GRANDE

  4. Tez No

    450922

    Silika-fenolik kompozitlerin üretimi ve karakterizasyonu

    Production and characterization of silica-phenolic composites prepared with compression molding method

    ÖNDER GÜNEY

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2016

    Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ERDEM DEMİRKESEN

  5. Tez No

    286308

    Design, development and performance evaluation of a three-axis miniature machining center

    3-eksenli minyatür işleme merkezinin tasarımı, geliştirilmesi ve performansının değerlendirilmesi

    EMRULLAH KORKMAZ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2011

    Makine Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Bölümü

    YRD. DOÇ. SİNAN FİLİZ

Geri Dön