Additive manufacturing and characterization of metal particle incorporated polymer matrix functionally enhanced composites
Metal parçacık ile birleştirilmiş polimer matris fonksiyonel olarak güçlendirilmiş kompozitlerin katmanlı imalatı ve karakterizasyonu
- Tez No: 846987
- Danışmanlar: PROF. DR. ARCAN FEHMİ DERİCİOĞLU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 93
Özet
Çeşitli mühendislik uygulamaları için yapıların yapısal kapasitesini arttırırken, iç morfolojilerini düzenleyerek işlevselliklerini arttırmak ve ağırlıklarını azaltmak, malzeme mühendisliği için her zaman bir zorluk olmuştur. Katmanlı imalat (3D baskı) yöntemlerindeki ilerlemeler, bu zorlu özellik gerekliliklerini karşılamak için malzemelerin mikro ölçekten makro ölçeğe kadar özel olarak tasarlanmasını mümkün kılmıştır. Bu çalışmada, metal tozu içeren polimer filamentler içeren Erimiş Filament İmalatı (FFF), gelişmiş yapısal ve işlevsel kapasiteye sahip model yapıları işlemek için kullanılmıştır. Bu kapsamda yaygın olarak kullanılan kafes yapıları olan Schwarz Primitive, IWP ve Neovius gibi eklemeli olarak üretilmiş Üçlü Periyodik Minimal Yüzey (TPMS) kafes yapılarının mekanik davranışları incelenmiştir. En sık kullanılan ve uygulanabilir eklemeli üretim tekniklerinden biri olan FFF, Polilaktik asit (PLA) ve Polipropilen (PP) ile birlikte %30, %40 ve %50'lik farklı bağıl yoğunluklara sahip saf polimer kafes yapılarını üretmek için kullanıldı. metal tozu içeren PP (metal/PP) kompozit kafes yapıları. Tasarlanan yapıların yapısal kapasitesi, eklemeli olarak üretilen polimerik yapıların mekanik olarak test edilmesiyle belirlendi. Ayrıca sonlu elemanlar analizleri de yapılmış ve sonuçları deneysel olarak elde edilen sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Eklemeli olarak üretilmiş kafes yapıları, parçacık morfolojisi, en boy oranı ve hacim fraksiyonu dahil olmak üzere çeşitli uygulamalar için metal parçacık içeren filamentlerin geliştirilmesi ve optimize edilmesinin yanı sıra filament boyunca eşit parçacık dağılımı ve dispersiyonun, işleme kalitesini ve nihai özellikleri önemli ölçüde etkilediği gösterilmiştir. 3D baskılı yapılardan. Genel olarak metal tozunun PP (metal/PP) içerisine dahil edilmesinin, onu PLA (metal/PLA) filamentlerine kıyasla TPMS kafes yapıları için daha işlenebilir hale getirdiği sonucuna varılmıştır. Ancak umut verici FEM sonuçlarına rağmen FFF baskıdaki ayrılma sorunu, PP matrisli (metal/PP) kompozit filamentin beklenen standartları karşılama yeteneğini engelledi. Sıkıştırma testi sonuçları önemli bilgiler ortaya çıkardı. Bozulmamış PLA, tamamen yoğun kübik formda PP'den daha yüksek basınç dayanımı sergiledi. Takviye, PP matrisinin özelliklerini katkı içeriğiyle orantılı olarak geliştirdi. Bununla birlikte, PLA matris takviyesi, muhtemelen katmanlar arasında sıkışan hava boşluklarından dolayı mekanik özellikleri eşit şekilde iyileştirmedi. Daha yüksek bağıl yoğunluk, TPMS yapılarında basınç dayanımını artırırken, PP modellerinde ayrılma sorunları daha belirgindir. PP ve PLA matrislerinde metal parçacık ilavesi mukavemeti eşit olmayan bir şekilde etkiledi. Kusursuz filaman üretilebilirliği kompozitleri geride bırakarak küp ve TPMS imalatını etkiler. Göreceli yoğunluğun arttırılması, kafes yapılarında mukavemeti arttırdı. Özellikle IWP modeli, etkili gerilim dağılımına ve kendi kendini destekleyen yapısına atfedilen üstün basınç akma dayanımı sergiledi.
Özet (Çeviri)
Increasing the structural capability of structures for various engineering applications while enhancing their functionality and reducing their weight by tailoring their internal morphology has always been a challenge for materials engineering. Advances in additive manufacturing (3D printing) methods have made it possible to tailor-design materials from micro to macro scale to fulfill these challenging property requirements. In this study, Fused Filament Fabrication (FFF) with metal powder incorporated polymer filaments has been used to process model structures with enhanced structural and functional capability. In this scope, the mechanical behavior of additively manufactured Triply Periodic Minimal Surface (TPMS) lattice structures such as Schwarz Primitive, IWP, and Neovius, which are commonly used lattice structures, has been investigated. FFF, being one of the most frequently used and feasible additive manufacturing techniques, was utilized to fabricate pristine polymer lattice structures with different relative densities of 30%, 40%, and 50% using Polylactic acid (PLA) and Polypropylene (PP) along with metal powder incorporated PP (metal/PP) composite lattice structures. The structural capability of the designed structures was determined by mechanically testing the additively manufactured polymeric structures. Moreover, finite element analyses have also been conducted, and their results were compared with the results obtained experimentally. It has been demonstrated that for developing and optimizing metal particle containing filaments for various applications, including additively manufactured lattice structures, particle morphology, aspect ratio, and volume fraction along with even particle distribution and dispersion throughout the filament, significantly impact the processing quality and final properties of the 3D-printed structures. It was generally concluded that incorporation of metal powder into PP (metal/PP) rendered it more processable for TPMS lattice structures compared to PLA (metal/PLA) filaments. However, despite the promising FEM results, the detachment issue in FFF printing hindered the ability of the composite filament with PP matrix (metal/PP) to meet the expected standards. Compressive test results revealed significant insights. Pristine PLA exhibited higher compressive strength than PP in a fully dense cubic (bulk) form. Reinforcement enhanced the properties of the PP matrix proportionally with additive content. However, PLA matrix reinforcement did not uniformly improve mechanical properties, possibly due to air gaps trapped between the layers. Higher relative density boosted compressive strength in TPMS structures, with detachment issues more pronounced in PP models. Metal particle addition unevenly affected strength in the case of PP and PLA matrices. Pristine filament manufacturability surpasses composites, impacting cube and TPMS fabrication. Increasing relative density enhanced strength in lattice structures. Notably, the IWP model exhibited superior compressive yield strength attributed to its effective stress distribution and self-supported structure.
Benzer Tezler
- Refined material toughening and process modeling methodologies for additive manufacturing
Eklemeli imalat için hassaslaştırılmış malzeme toklaştırma ve süreç modelleme metodolojileri
ELHAM YOUSEFIMIAB
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Mekatronik MühendisliğiSabancı ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ADNAN KEFAL
- Metalik bronz malzemelerin eklemeli imalatı ve karakterizasyonu
Additive manufacturing and characterization of metallic bronze materials
AHMET ÇAĞRI KILINÇ
Doktora
Türkçe
2022
Metalurji MühendisliğiDokuz Eylül ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİ AYDIN GÖKTAŞ
- Spreadability and characterization of metal powders for additive manufacturing
Katmanlı imalata uygun metal tozlarının yayılım ve karakterizasyonu
BEYZA HASDEMİR
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
Metalurji Mühendisliğiİzmir Yüksek Teknoloji EnstitüsüMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÇEKDAR VAKIF AHMETOĞLU
DR. ÖĞR. ÜYESİ EVREN YASA
- Halloysite nanotüp ve nano kauçuk parçacık takviyeli epoksi imalatı ve mekanik karakterizasyonu
Manufacturing and mechanical characterization of halloysite nanotube and nano rubber particle reinforced epoxy
İNCİ PİR
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EKREM TÜFEKCİ
- Synthesis and characterization of UV-curable and ceramic slurry-loaded epoxy acrylate resin for 3D printing application
3D baskı uygulaması için UV ile kürlenebilen ve seramik bulamaç yüklü epoksi akrilat reçinenin sentezi ve karakterizasyonu
İREM ŞEYMA ÖZBALAK
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. YEŞİM GÜRSEL
DR. MERVE GÜRTEKİN SEDEN