Development of high density polyethylene based composites for additive manufacturing used in shipbuilding industry
Gemi inşaati endüstrisindeki eklemeli imalatta kullanılmak üzere yüksek yoğunluklu polietilen esaslı kompozit malzeme geliştirilmesi
- Tez No: 902345
- Danışmanlar: PROF. DR. GÖKDENİZ NEŞER
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Gemi Mühendisliği, Marine Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Dokuz Eylül Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Deniz Bilimleri Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Gemi İnşaatı Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 136
Özet
Bu tez, sürdürülebilir doğası, maliyet etkinliği ve ilgili piyasalarda bulunabilirliği nedeniyle gün geçtikçe daha fazla tercih edilen termoplastiklerden biri olan Yüksek Yoğunluklu Polietilenin (YYPE) eklemeli imalatta kullanma olanakları ve gemi inşa sanayinde kullanılmak üzere kısa karbon ve uzun cam fiberler ile güçlendirilmiş kompozitlerin 3D baskı destekli eklemeli imalat performans değerlendirmesini ele almaktadır. Ayrıca, denizcilik endüstrisinde eklemeli imalatın mevcut ve potansiyel kullanımı sistematik olarak araştırılmıştır. Bu amaçla yapılan literatür taraması, AM'nin geleneksel imalat süreçlerine yalnızca uygun bir alternatif olmadığını, aynı zamanda denizcilik sektöründe yenilik ve verimliliği artırdığını göstermiştir. Burada sunulan vaka çalışmaları, AM'nin ekonomik ve çevresel sürdürülebilirliği artırma potansiyelini göstererek başarılı uygulamalarını vurgulamıştır. Ancak, AM'nin büyük vaatler barındırdığı belirtilse de, malzeme seçimi, kalite kontrol ve düzenleyici hususlar gibi konuların dikkat ve araştırma gerektirdiği zorluklar bulunmaktadır. YYPE'nin baskı yapılabilirliğini artırmak için, %10, %15 ve %20 ağırlığında kısa karbon ve uzun cam fiberlerden oluşan toplam altı yeni kompozit, eklemeli imalat ile YYPE'nin düşük yüzey enerjisinin yarattığı engelleri önlemeye odaklanılarak tasarlanmış ve üretilmiştir.“Düşük yüzey enerjisi”bir malzemenin ıslanma ve yapışmaya direnç göstermesini tanımlanabilir. Bu direnç, genellikle bir malzemenin bir sıvı damlacığıyla temas açısıyla ölçülür; yüksek temas açısı düşük yüzey enerjisinin karakteristiğidir. Bu özellik, YYPE'nin eklemeli imalat ile kullanılması sırasında ciddi zorluklar yaratır. Düşük yüzey enerjisi nedeniyle YYPE, baskı tablasına zayıf yapışır ve bu durum, AM sürecinde bükülme veya ayrılma gibi sorunlara yol açabilir. Bu sorunları hafifletmek için ısıtılmış baskı tablası ve kabin gereklidir. Yapışmayı artırmak için polivinil asetat tutkalı kullanılmıştır. Yüzey enerjisini artırarak yapışmayı iyileştiren astar veya plazma işlemleri gibi yüzey işlemleri uygulanmamıştır. Bu önerilen kompozitlerin eklemeli imalattaki performansları, AM'nin Malzeme Ekstrüzyonu (MEX) yöntemiyle üretilen numuneler kullanılarak testler ve analizlerle değerlendirilmiştir. Kompozitlerin mekanik özellikleri, çekme, basma, kayma ve darbe testleri ile belirlenmiş, termal özellikleri ise Erime Akış İndeksi (MFI) ölçümü, Termogravimetrik Analiz (TGA), Termomekanik Analiz (TMA) testleri, Diferansiyel Tarama Kalorimetrisi (DSC) ve yoğunluk ölçümleri ile elde edilmiştir. Ayrıca, kompozitlerin yapısı, Yüzey Elektron Mikroskobu (SEM) ve Mikro Bilgisayarlı Tomografi (Micro-CT) ile görsel olarak incelenmiştir. Kompozitlerin reolojik özellikleri de frekans süpürme testleri ile belirlenmiştir. Bir vaka çalışması olarak, YYPE kompozitinin %15 kısa karbon fiberle Eklemeli İmalat ile takviye edilmiş 1/14 ölçekli (25 cm çap, 5 kanat) bir gemi pervane modelinin performans analizi, endüstriyel bir uygulama örneği olarak sunulmuştur. Ayrıca, pervanenin mekanik ve hidrodinamik performansını artırmak amacıyla, pervane 245 gr·m−2 alan ağırlığında dokuma pre-preg epoksi-karbon fiberle kaplanmıştır. Mekanik ölçümler, beklenildiği gibi, fiber konsantrasyonu arttıkça elastisite modülü'nün arttığını göstermiştir. Özellikle, %15 ve %20 karbonla ağırlıkça takviye edilmiş numunelerde 3 GPa'nın üzerinde değerler gözlenmiştir. Çekme dayanımları, fiber içeriği ve türüne bağlı olarak 21-25 MPa arasında değişmektedir. Fiber içeriği arttıkça darbe direnci azalmaktadır. Fiber takviyesinin mekanik performansa etkisi beklenenden daha düşük olmuştur. Bu durum, Micro-CT ve SEM analizleri ile açıklanmıştır. İç yapı ve yüzey görüntüleme, %7'ye varan gözenekliliği göstermektedir. Gelecekteki çalışmalar için matris ve fiber ara yüzeyinin iyileştirilmesi gerekliliği ortaya çıkmaktadır. Fiber takviyesinin en önemli katkısı, AM sürecinde malzemelerin baskı tablosundan ayrılmasına neden olan termal deformasyonların azalması olmuştur. TMA sonuçları, deformasyonların %70'ten fazla azaldığını göstermektedir. Ayrıca, MFI değerlerinde önemli bir azalma görülmektedir; daha doğrusu, 8.03'ten 0.29'a düşmüştür. Yoğunluk, beklenildiği gibi fiberlerin yoğunluğunun her zaman YYPE'den daha yüksek olması nedeniyle 0.96'dan 1.04'e yükselmiştir. TGA sonuçları, kompozitlerin fiber oranlarının neredeyse doğru olduğunu kanıtlamıştır. %15 karbon fiberle güçlendirilmiş HDPE (CF15) kompoziti için ağırlığının %15.9'u yanmamış olarak kalmıştır. DSC sonuçları, kristallik indeksi (Xc) ve erime noktası (Tm) değerlerinin, pelletten 3D baskılı ürüne kadar olan üretim sürecinde beklendiği gibi azaldığını göstermektedir. Bu yeni kompozitlerin reolojik özellikleri, kayıp modülü G'' ve depolama modülü G' değerlerinin arttığını ortaya koymuştur. Bu, yüksek düzeyde takviye edilmiş örneklerde YYPE ve fiberler arasında mekanik etkileşimlerin varlığını açıkça göstermiştir. Vaka çalışması için, AM ile üretilmiş pervane, özellikle en yaygın kullanılan verimlilik katsayıları (J = 0.7 gibi) için kavitasyon tüneli testlerinde yeterli yapısal performans sergilemiştir. CF15 için pervane uçları sadece ortalama 40 mm ve pre-preg karbon kaplamalı versiyonda 0.91 mm sapmıştır, ancak yeterli itme sağlama yeteneği üretme konusunda başarısız olmuştur (alüminyum emsallerine göre %40'a kadar daha az). Bu durum büyük ölçüde fiber takviyesinin neden olduğu yüzey pürüzlülüğüne ve yük altında şekil değiştirmelere bağlanmıştır. Bu pervanenin alüminyum versiyonunda Ortalama Pürüzlülük (Ra) değeri ortalama olarak 6.24 µm ve CF15 versiyonunda 18.52 µm olarak ölçülmüştür. Gelecek çalışmalar için, denizcilik endüstrisi için karmaşık bir geometriye sahip pervane üretiminde eklemeli imalatın benimsenmesi için yüzey pürüzlülüğü üzerinde çalışılmalıdır.
Özet (Çeviri)
This thesis is about the possibilities of using High-Density Polyethylene (HDPE) in additive manufacturing, one of the more preferred thermoplastics days by day due to its sustainable nature, cost-effectiveness, and availability in the relevant markets, and the performance evaluation of its composites consisting of short carbon and long glass fibers reinforced for 3D printing assisted additive manufacturing (3DAM) for the use in the shipbuilding industry. Additionally, current, and potential usage of additive manufacturing in the maritime industry have been systematically investigated. For this purpose, a literature review which is shown that AM has not only a proper alternative to traditional manufacturing processes but has also fostered innovation and efficiency in the marine sector. Case studies presented here have underscored the successful implementations of AM, demonstrating its potential to enhance both economic and environmental sustainability in the industry. However, it was highlighted that while AM holds immense promise, although it includes challenges. Issues related to material selection, quality control, and regulatory considerations remain areas that require attention and research. To improve the printability of HDPE, a total of six new composites consists of short carbon and long glass fibers at 10, 15 and 20% by weight have been designed and produced with a particular emphasis on preventing the obstacles presented by HDPE's low surface energy in AM.“Low surface energy”describes a material's resistance to wetting and adhesion. This resistance is frequently measured by the material's contact angle with a liquid droplet; a high contact angle is characteristic of low surface energy. This characteristic presents serious difficulties when using High-Density Polyethylene (HDPE) for AM. Due of its low surface energy, HDPE sticks to the print bed poorly, which might cause problems during AM including warping or separation. It is noted that heated printing table and chamber are necessary to mitigate these issues. Polyvinyl acetate glue was used to increase adhesion. No Surface treatments like primers or plasma treatments applied enhance adhesion by increasing surface energy. The performances of these proposed composites in additive manufacturing were evaluated by tests and analysis using samples produced with Material Extrusion (MEX) method of AM. The mechanical properties of the composites were determined with tensile, compression, shear, and impact tests, while their thermal properties were obtained by Melt Flow Index (MFI) measurement, Thermogravimetric Analysis (TGA), Thermomechanical Analysis (TMA) tests, Differential Scanning Calorimetry (DSC) and density measurements. In addition, the structure of the composites was visually examined with Surface Electron Microscopy (SEM) and Microcomputer Tomography (Micro-CT). The rheological properties of the composites were also determined by frequency sweep tests. As a case study, the performance analysis of a 1/14 scaled (25 cm diameter, 5 blades) ship propeller model made of HDPE composite reinforced with 15% short carbon fibres with AM by weight was performed within a cavitation tunnel, which is known showing good performance among counterparts, was also presented as an industrial application example in the study. Additionally, propeller has been coated with woven pre-preg epoxy-carbon fibre with an areal weight of 245 gr·m−2 to improve its mechanical and hydrodynamic performance. Mechanical measurements indicated that the Young's Modulus increased with increasing fiber concentration as expected. Particularly, values above 3 GPa have been observed in samples reinforced with 15% and 20% carbon in weight. Tensile strengths vary between 21-25 MPa depending on the fiber content and type. Impact resistance decreases as the fiber content increases. The effect of fiber reinforcement on mechanical performance has been lower than expected. This situation has been explained by Micro-CT and SEM analyses. Internal structure and surface imaging shows the porosity up to 7%. The need for improvement in the matrix and fiber interface becomes apparent for future studies. The most significant contribution of fiber reinforcement was the decrease in thermal deformations, which cause detaching of the materials from the printing table during AM process. TMA results indicate that deformations are reduced by over 70%. Also, there is a significant reduction in MFI values, more precisely, it dropped from 8.03 up to 0.29. Density increased form 0.96 up to 1.04 as expected because fiber's density is always higher than HDPE. TGA results proved that fibers ratios of the composites are almost accurate. For 15% carbon fiber reinforced HDPE (CF15) composite, 15.9% of its weight remained unburned. DSC results shows that Crystallinity Index (Xc) and Melting Point (Tm) decreased during production of the composite, from pellet to 3D printed product as expected. Rheological properties of these new composites claimed that loss modulus G'' and storage modulus G' were increased. It clearly showed the presence of mechanical interactions between HDPE and fibres in samples with high levels of reinforcement in the polymer structure. For the case study, while the additively manufactured propeller demonstrates sufficient structural performance during cavitation tunnel tests especially for most and commonly used efficient coefficients like J = 0.7. Propeller tips were deflected only 40 mm for CF15, and 0.91 mm for pre-preg carbon coated version but its inability to provide enough (up to %40 less than aluminum counterparts) thrust is mostly attributable to the surface roughness brought on by the fiber reinforcing. Roughness Average (Ra) value was 6.24 µm on average in the aluminum version of this propeller and 18.52 µm in the CF15 version. For the future studies, surface roughness should be studied on to adopt AM to complex propeller manufacturing for marine industry.
Benzer Tezler
- Development of ensete fiber based composites and their characterization
Ensete lifi bazlı kompozitlerin geliştirilmesi ve karakterizasyonu
TOLERA ADERIE NEGAWO
Doktora
İngilizce
2021
Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik ÜniversitesiTekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ALİ KILIÇ
- Haloysit nanotüp dolgu malzemesi ile termoplastik ve termoplastik elastomer polimer matris kompozit malzemelerin hazırlanması ve karakterizasyonu
Preparation and characterization of halloysite filled thermoplastic and thermoplastic elastomer composite materials
TUĞÇE ÖNER
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BURAK ÖZKAL
- Industrial scale sustainable nanocomposite production by melt mixing technique
Eriyik harmanlama tekniği ile endüstriyel ölçekte sürdürülebilir nanokompozit üretimi
NESRİN AVCIOĞLU
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MOHAMMADREZA NOFAR
DR. MUSTAFA DOĞU
- Poliamid (PAG) ve yüksek yoğunluklu polietilenin (HDPF) düzenleyici katkılı ve katkısız karışımlarının mekanik ve tribolojik özelliklerinin deneysel incelenmesi
Experimental studies of the mechanical and tribological properties of PAG and HDPF poly blends with and without compatibilizer
İBRAHİM MEHMET PALABIYIK
- Ekstrüzyon şişirme kalıplama uygulamaları için yüksek yoğunluklu polietilen kompozit malzeme geliştirilmesi ve karakterizasyonu
Development and characterization of high density polyethylene composite materials for extrusion blow molding applications
LEYLA YANMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FATMA SENİHA GÜNER