Geri Dön

Creep behavior investigation of 3d printed polyetherimide parts with carbon black reinforcement via experimental analysis and modeling

3b basılmış karbon siyahı takviyeli polieterimid parçaların deneysel analiz ve modelleme ile sürünme davranışının incelenmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 888581
  2. Yazar: MERVE KARABAL
  3. Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ ALPTEKİN YILDIZ
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Havacılık ve Uzay Mühendisliği, Aeronautical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 96

Özet

Eklemeli imalat (Eİ) teknolojileri diğer adıyla 3B yazıcı teknolojileri konvansiyonel üretim yöntemlerine kıyasla farklı bir üretim metodolojisi benimseyerek getirdiği yenilikçi bakış açısıyla çeşitli sektörlerde dikkat çekmiş ve hızla yaygınlaşmıştır. Prensip olarak üretilecek geometrileri katmanlar halinde üst üste ekleyerek inşa etmeye dayanan Eİ metodolojisi karmaşık geometrilere sahip parçaların tek seferde üretilmesini sağlar ve montajlama ihtiyacını ortadan kaldırır. Ayrıca az miktarda atık hammadde oluşturması ve kalıplama maliyeti gibi başlangıç yatırımları gerektirmemesi gibi avantajları ile konvansiyonel üretim yöntemlerinin bir adım önüne çıkar. İlk olarak hızlı prototipleme amacıyla piyasaya sürülen Eİ teknolojisinin de gelişmesiyle birlikte daha hassas ürün boyutlandırma, hızlı parça üretimi ve hammaddedeki çeşitlilikle birlikte hızla farklı sektörlere yayılmış; havacılık-uzay, otomotiv ve medikal gibi sektörlerde de tercih edilmeye başlanmıştır. Eriyik Yığma Modelleme (EYM) teknolojisi diğer eklemeli imalat teknolojileri arasında polimerik parça üretiminde en çok tercih edilen Eİ teknolojisidir. Bunun başlıca sebepleri üretim esnasında neredeyse sıfır atık çıkması, EYM yazıcılarının ulaşılabilir ve kullanımının kolay olması ve diğer Eİ teknolojilerine nispeten düşük maliyetli bir üretim yöntemi olmasıdır. EYM'nin birçok avantaja sahip olmasına rağmen elde edilen ürünlerin mekanik performansının konvansiyonel üretim yöntemleriyle üretilen muadillerine göre düşük olması ve görece yavaş üretim hızları nedeniyle yüksek dayanım isterleri olan havacılık ve uzay teknolojileri alanında kullanımları sınırlıdır. Ancak araştırmacılar son yıllarda yüksek performanslı termoplastiklerin EYM yöntemi ile parça üretiminde kullanılması üzerine çalışmalarını sürdürmektedirler. Bu da ileri teknoloji alanında bu parçaların kullanımının önünü açmaktadır. Yüksek performanslı termoplastikler poli laktikasit (PLA) ve akrilonitril bütadien stiren (ABS) gibi yaygın kullanılan termoplastiklere kıyasla yüksek sıcaklıklarda mekanik dayanımlarını koruyabilirler. Ayrıca moleküler yapıları sayesinde kimyasal ve termal olarak daha kararlıdırlar. Polieterimid (PEI) filamanlar yüksek performanslı termoplastikler arasında EYM uygulamalarında en çok tercih edilen termoplastiklerden biridir. Yüksek camsı geçiş sıcaklığı (217 °C), yüksek çekme dayanımı ve termal kararlılığı ile yük taşıyıcı fonksiyonel elemanlar olarak kullanıma elverişlidir. Ayrıca alev geciktirici özelliği, düşük duman yoğunluğu ve düşük toksisite göstermesi PEI'yi havacılık uygulamaları için ideal bir malzeme yapar. Ek olarak düşük genleşme katsayısı ve amorf yapısı PEI'nin boyutsal stabilitesini artıran, dolayısıyla da EYM için elverişli kılan diğer önemli faktörlerdendir. PEI filamanlara eklenen çeşitli takviye malzemeleri ile oluşturulan kompozit malzemelerin EYM ile üretilmiş parçaların ileri teknoloji uygulamalarında kullanımını artırdığı görülmüştür. Özellikle karbon nanotüp (KNT), grafen, karbon siyahı (KS) ve karbon fiber (KF) gibi karbon temelli takviye malzemeleri saf termoplastik filamanların mekanik özelliklerini geliştirmekte ve ayrıca elektriksel iletkenlik, termal iletkenlik gibi özellikler kazandırarak çok fonksiyonlu hale getirmektedir. Bu gelişmeler yüksek performans gerektiren alanlarda kullanılan kompozit malzemelerin önemini artırmakta ve yeni uygulama alanları açmaktadır. Bu tez çalışmasında eklemeli imalatın doğası gereği katmanlı yapıda üretimin neden olduğu, konvansiyonel üretim yöntemi ile üretilen muadillerine kıyasla görülen düşük mekanik özelliklerin telafi edilmesi amaç edinilmiştir. Karbon bazlı muadillerine kıyasla oldukça düşük maliyetli KS takviyesi yapılarak PEI'nin mekanik özellikleri iyileştirilmeye ve konvansiyonel üretim seviyesine çıkarılmaya çalışılmıştır. Farklı miktarlarda KS takviye edilerek eklemeli imalat nedeniyle kaybedilen mekanik dayanımın geri kazanımı sistematik olarak incelenmiştir. Bu amaçla çeşitli karakterizasyon yöntemleriyle numuneler karakterize edilmiş, özellikle numunelerin sürünme davranışı incelenmiş ve konvansiyonel yöntemlerle üretilmiş numuneler ile karşılaştırılmıştır. Ayrıca numunelerin sürünme davranışı deneysel karakterizasyonlara ek olarak matematiksel modellemelerle daha iyi anlaşılmaya ve tahmin edilmeye çalışılmıştır. Çalışmaya kompozit filamanların üretimi ve numunelerin hazırlanması ile başlanmıştır. Saf PEI ve farklı oranlarda KS (ağırlıkça (ağ.) %5, %10 ve %20) içeren kompozit 3B yazıcı filamanları eş dönüşlü çift vidalı ekstrüder kullanılarak hazırlanmıştır. Elde edilen bu filamanlardan yüksek performanslı polimerler için özel olarak tasarlanmış bir 3B yazıcı kullanılarak sürünme testi numuneleri üretilmiştir. Ayrıca KS takviyesinin kazandırdığı mekanik özellikleri konvansiyonel üretimle karşılaştırmak amacıyla sıcak presleme yöntemi kullanılarak saf PEI sürünme testi numunesi de üretilmiştir. İlk olarak elde edilen kompozit filamanların KS takviyesi ile değişen termal, reolojik, morfolojik ve mekanik karakterizasyonları gerçekleştirilerek KS eklenmesinin etkileri anlaşılmaya çalışılmıştır. Saf PEI, ağırlıkça %5, %10 ve %20 KS/PEI filamanlarından granül numuneler kırpılarak termogravimetrik analiz yapılmıştır. Analiz sonucunda PEI'nin 500 °C'ye kadar kayda değer bir kütle kaybı yaşamadığı gözlemlenmiştir. Ek olarak tüm numunelerin başlangıç termal bozunma sıcaklıkları hesaplanmış ve KS'nin bu sıcaklığı önemli ölçüde etkilemediği görülmüştür. Benzer şekilde granül formuna getirilen tüm KS konsantrasyonlarındaki filamanların reometre cihazı kullanılarak depolama modülleri ve kompleks viskoziteleri ölçülmüştür. Ağırlıkça %5 KS takviye miktarı aşıldıktan sonra mikroyapının değişmeye başladığı ve %10 KS civarında reolojik sızma eşiğine ulaşıldığı görülmektedir. Ayrıca KS ile birlikte kompleks viskozitenin aniden arttığı, ancak PEI'nin artan frekansa bağlı olarak kayma incelmesi (shear thinning) davranışı gösterdiği gözlemlenmiştir. KS'nin PEI matrisi içerisinde homojen dağılıp dağılmadığını incelemek ve kompozitlerin üretim kalitesi hakkında yorum yapmak amacıyla taramalı elektron mikroskobunda filaman kesitleri incelenmiştir. PEI matris içerisinde KS'nin küçük agregalar halinde yeterli bir şekilde dağıldığı görülmüştür. Son olarak KS katkısının filamanların çekme dayanımlarına olan etkisini araştırmak için evrensel çekme cihazı kullanılarak maksimum çekme dayanımları incelenmiştir. Ağırlıkça %5 KS oranında filamanlar en yüksek çekme dayanımı sonucunu vermiştir. Ağırlıkça %10 KS miktarına ulaşıldığında çekme dayanımı hafifçe düşmüş ve ağırlıkça %20'de aşırı KS yüklemesiyle son derece kırılgan yapıya sahip olan filamanların çekme dayanımları aniden düşmüştür. Filaman karakterizasyonu tamamlandıktan sonra KS katkısının eklemeli imalatla üretilen numunelerin mekanik performansını konvansiyonel numunelerle karşılaştırmak için sürünme testleri yürütülmüştür. 30 °C - 190 °C aralığında, 20 °C aralıklarla 3B basılmış saf PEI, ağırlıkça %5 ve %10 katkılı numunelere ve sıcak preslenmiş saf PEI numuneye 10 dakika boyunca 3 MPa yük uygulanmış ve sürünme gerinimleri ölçülmüştür. Ağırlıkça %20 katkılı filamanların son derece kırılgan yapısından dolayı efektif baskılar alınamadığı için sürünme testlerine dahil edilmemiştir. Yapılan sürünme testleri sonucunda KS içeriğinin artmasıyla kompozitlerin sürünme direncinin arttığı, sürünme deformasyonlarının azaldığı ve yüksek sıcaklıklarda bu etkinin daha belirgin hale geldiği belirlenmiştir. Özellikle %5 KS/PEI numunelerinin sürünme deformasyonunun en az olduğu ve konvansiyonel yöntemle üretilen saf PEI numuneleriyle benzer davranışlar sergilediği görülmüştür. Böylelikle eklemeli imalat ile kaybedilen dayanım değerleri KS takviyesi ile tekrar kazanılabilmiştir. Son olarak deneysel sürünme verileri viskoelastik fonksiyonlar kullanılarak simüle edilmiştir. Burgers, Findley güç yasası ve genelleştirilmiş Kelvin-Voigt modelleri kullanılarak detaylı bir şekilde incelenmiştir. Burgers ve Findley modelleri davranışları başarılı bir şekilde modellemiş ancak Burgers modelinin elastik anlık gerinimi yakalamakta zorlandığı, buna karşılık Findley güç yasasının deneysel sonuçlarla daha uyumlu eğriler oluşturduğu tespit edilmiştir. Genelleştirilmiş Kelvin-Voigt modelinde ise eğri uydurma sonuçları deneysel sonuçlarla çok uyumlu görünse de parametre değerleri tutarlı sonuçlar vermemiştir. Çalışma tüm numunelere ait zaman-sıcaklık süperpozisyon (TTS) eğrilerinin oluşturulmasıyla sonlandırılmıştır. Sürünme eğrilerinin kaydırılarak bir ana eğri elde edilmesi için gerekli kaydırma faktörleri dört farklı yöntem kullanılarak elde edilmeye çalışılmıştır. Arrhenius ve William-Landel-Ferry (WLF) yöntemleri PEI'nin termo-mekanik olarak karmaşık yapıya sahip bir polimer olması nedeniyle başarılı olamamıştır. Literatürde yeni bir yöntem olan MNAT prosedürü kullanılarak makul bir sürünme ana eğrisi elde edilmiştir ancak sürünme ana eğrisi zaman ekseninde 10^18 saniyelere kadar uzamış, bu da gerçekçi sonuçlar vermemiştir. Son olarak Python kullanılarak deneysel verileri manuel kaydıracak bir kod yazılmış ve TTS ana eğrisi elde edilmiştir. Bu tez, EYM yöntemiyle üretilen yüksek performanslı kompozit malzemelerin mekanik özelliklerini düşük maliyetli ama etkili bir yöntemle geliştirerek ileri teknoloji uygulamalarında kullanım potansiyelini artırmayı amaçlamıştır. Bu bağlamda PEI ve KS takviyeli kompozitlerin mekanik dayanımını ve sürünme direncini optimize etmek için yapılan çalışmalar, EYM temelli 3B yazıcıların endüstriyel uygulamalarda daha yaygın olarak kullanılmasının önünü açmaktadır.

Özet (Çeviri)

Additive manufacturing (AM) technologies, also known as 3D printing technologies, have garnered significant attention across various sectors due to their distinct production methodology compared to conventional manufacturing methods. AM technologies based on a principle of building geometries layer by layer, offering advantages such as minimum waste material, the ability to produce complex geometries in a single process, no need for assembly, and the elimination of initial investment costs. Initially introduced for rapid prototyping, AM has evolved with technological advancements, leading to more precise product dimensions, faster part production, and a broader range of raw materials. Consequently, it has found applications in aerospace, automotive, and medical sectors. Fused Filament Fabrication (FFF) technology is the most widely used AM technology for polymeric part production. Its popularity stems from nearly zero waste production, accessibility and ease of use of FFF printers, and relatively low production costs compared to other AM technologies. Despite its many advantages, FFF-produced parts often exhibit lower mechanical performance compared to their conventionally manufactured counterparts, and the relatively slow production speeds limit their use in high-strength demanding fields. In recent years, researchers have focused on using high-performance thermoplastics in FFF applications to overcome these limitations. High-performance thermoplastics, such as polyetherimide (PEI), maintain their mechanical strength at high temperatures and exhibit greater chemical and thermal stability compared to commonly used thermoplastics like polylactic acid (PLA) and acrylonitrile butadiene styrene (ABS). PEI filaments, with a high glass transition temperature (Tg), high tensile strength, and thermal stability, are suitable for use as load-bearing functional components. Additionally, PEI's flame retardancy, low smoke density, and low toxicity make it an ideal material for aerospace applications. Its low coefficient of thermal expansion and amorphous structure further enhance its dimensional stability, making it suitable for FFF. The corporation of various reinforcement materials to PEI filaments to create composite materials has been shown to enhance the performance of FFF-produced parts for advanced technological applications. Carbon-based reinforcements like carbon nanotubes (CNT), graphene, carbon black (CB), and carbon fiber (CF) improve the mechanical properties of neat thermoplastic filaments and impart additional features such as electrical and thermal conductivity, making them multifunctional. These developments have increased the importance of composite materials in high-performance applications and brought new opportunities for their employment. This thesis investigated the potential of overcoming the mechanical weaknesses of FFF-produced parts compared to their conventionally manufactured counterparts by reinforcing PEI with CB particles. The study systematically investigates the recovery of mechanical strength lost due to the layered structure inherent in AM by adding varying amounts of CB. Samples were characterized using various techniques, with a focus on their creep behavior, and compared to conventionally produced samples. Additionally, the creep behavior of the samples was further analyzed through mathematical modeling. First of all, composite filaments consisting of neat PEI and varying concentrations of CB (5%, 10%, and 20% by weight (wt)) were prepared using a co-rotating twin-screw extruder. Creep test samples were produced from these filaments using a 3D printer specifically designed for printing high-performance thermoplastics. To compare the mechanical properties of FFF-produced samples with those produced conventionally, neat PEI creep test samples were also manufactured using the hot-press technique. The thermal, rheological, morphological, and mechanical characterizations of the composite filaments were conducted to evaluate the CB reinforcement effects. Thermogravimetric analysis (TGA) revealed that PEI experienced no significant weight loss up to 500 ◦C. The initial thermal degradation temperatures of all samples were calculated, showing that CB did not significantly affect this temperature. Rheological measurements indicated that the storage moduli and complex viscosities of all filaments increased with CB content, reaching a rheological percolation threshold around 10 wt% CB. Scanning electron microscope (SEM) analysis confirmed adequate dispersion of CB within the PEI matrix. Tensile tests showed that 5 wt% CB reinforcement resulted in the highest tensile strength, with strength decreasing slightly at 10 wt% and reducing significantly at 20 wt% due to brittleness. Creep tests conducted between 30 ◦C and 190 ◦C, in 20 ◦C increments, with a 3 MPa load applied for 10 minutes, demonstrated that increasing CB content improved the creep resistance of the composites. The 5 wt% CB/PEI samples exhibited the least creep deformation and similar behavior to conventionally produced neat PEI samples, indicating that the mechanical strength lost in FFF-produced samples could be recovered with CB reinforcement. Finally, experimental creep data were simulated using viscoelastic models. The Burgers and Findley power law models successfully modeled the behavior, with the Findley power law showing better alignment with experimental results. The generalized Kelvin-Voigt model, despite fitting the curves well, provided inconsistent parameter values. The study concluded with the creation of time-temperature superposition principle (TTSP) master curves, where manual shifting using Python provided the most reasonable results. This thesis aims to enhance the mechanical properties of high-performance composite materials produced via FFF, thereby increasing their potential use in advanced technological applications. The findings contribute significantly to the broader industrial application of FFF-based 3D printers by optimizing the mechanical strength and creep resistance of PEI and CB-reinforced composites.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    755801

    3D baskılı karbon fiber takviyeli PLA numunelerinin sürünme davranışının incelenmesi

    Investigation of the creep behavior of 3D printed carbon fiber reinforced pla speci mens

    ABDULLAH YILDIZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Metalurji MühendisliğiKarabük Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HAYRETTİN AHLATCI

  2. Tez No

    677449

    İçten yanmalı motor egzoz portu etrafındaki kafes yapılarının termomekanik davranışının incelenmesi ve efektif modelleme yaklaşımının geliştirilmesi

    Thermomechanical investigation of lattice structures around exhaust port for iternal combustion engine and development of a effective modelling approach

    CEMRE OĞUZ ERŞAHİN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ HİKMET ARSLAN

  3. Tez No

    905965

    Eklemeli imalat yöntemiyle üretilmiş Inconel 625 süperalaşımının ısıl işlem davranışının incelenmesi

    Investigation of heat treatment behavior of Inconel 625 superalloy manufactured by additive manufacturing

    SENA TURAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Metalurji MühendisliğiGebze Teknik Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. METİN USTA

  4. Tez No

    559460

    DEMİRYOLU TAŞITI TEKERLEK TAKIMI SİNÜS HAREKETİNİNANALİTİK VE HESAPLAMALI YÖNTEMLERLE İNCELENMESİ

    ANALYTICAL AND COMPUTATIONAL INVESTIGATION OF HUNTINGINSTABILITY FOR A RAILWAY VEHICLE WHEELSET

    RIDVAN AKÇAY

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Raylı Sistemler Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ OSMAN TAHA ŞEN

  5. Tez No

    850600

    Investigation of mechanical behaviors of additively manufactured inconel 718 superalloys used in aerospace applications

    Havacılık ve uzay uygulamalarında kullanılan eklemeli imalat ile üretilen ınconel 718 süper alaşımlarının mekanik davranışlarının incelenmesi

    CAN DOĞAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Makine MühendisliğiÇukurova Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ DURMUŞ ALİ BİRCAN

Geri Dön