Determination of bending fatigue properties of 3D printed polylactic acid via dynamic mechanical analyses and statistical analysis using weibull distribution
3B yazıcı ile üretilmiş polilaktik asidin (PLA) eğilme yorulma özelliklerinin dinamik mekanik analizler ile belirlenmesi ve weıbull dağılımı kullanılarak istatistiksel analizi
- Tez No: 933534
- Danışmanlar: YRD. DOÇ. DR. KAAN YILDIZ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Havacılık ve Uzay Mühendisliği, Aeronautical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 71
Özet
Katmanlı üretim (Additive Manufacturing - AM), yaygın olarak 3D baskı olarak bilinen ve son yıllarda üretim teknolojilerinde devrim niteliğinde ilerlemeler sağlayan yenilikçi bir üretim yöntemidir. Geleneksel talaşlı imalat, döküm ve dövme gibi yöntemler, büyük ölçüde malzeme israfına yol açarken, AM katman katman malzeme ekleyerek nesneleri oluşturur ve bu sayede üretim sürecindeki malzeme kaybını en aza indirir. Dijital bir model temelinde gerçekleştirilen bu üretim yöntemi, tasarımın doğrudan bilgisayar destekli üretim (CAM) sistemine aktarılmasını sağlayarak, karmaşık geometrilerin kolayca üretilebilmesine imkân tanır. Prototipleme süreçlerinden nihai ürün üretimine kadar geniş bir kullanım alanına sahip olan AM, geleneksel üretim tekniklerinin sınırlarını aşarak mühendislik tasarımında yeni olanaklar yaratmaktadır. Bu üretim tekniği, tasarım özgürlüğü, malzeme verimliliği, üretim süresinin kısalması ve maliyet etkinliği gibi birçok avantajı nedeniyle endüstriyel üretimde giderek daha fazla tercih edilmektedir. Geleneksel yöntemlerle üretimi zor veya imkânsız olan içi boş yapılar ve gözenekli yüzeyler, AM sayesinde çok daha kolay üretilebilmektedir. Özellikle havacılık, otomotiv, biyomedikal, savunma sanayii ve diş hekimliği gibi yüksek hassasiyet gerektiren sektörlerde AM'nin sunduğu hız, esneklik ve özelleştirilebilirlik büyük avantaj sağlamaktadır. Havacılık ve otomotiv endüstrilerinde hafif ve dayanıklı parçaların üretilmesi, biyomedikal alanda ise kişiye özel protez ve implantların tasarlanması, AM'nin sunduğu yenilikçi çözümlerin başlıca örneklerindendir. Geleneksel yöntemlerde parçaların birleştirilmesi için kaynak, vidalama veya diğer montaj teknikleri gerekirken, AM ile tek parça halinde, daha dayanıklı ve kompleks yapılar üretmek mümkündür. Bu yönüyle katmanlı üretim, üretim süreçlerini daha verimli ve sürdürülebilir hale getiren bir teknoloji olarak modern imalat sanayisinin vazgeçilmez bir parçası hâline gelmektedir. AM yöntemleri arasında en yaygın olarak kullanılan tekniklerden biri Eriyik Yığma Modelleme (Fused Deposition Modeling - FDM) olup, termoplastik malzemeleri eriterek katmanlar halinde biriktirme esasına dayanır. FDM'de kullanılan başlıca polimerler arasında polilaktik asit (PLA), akrilonitril bütadien stiren (ABS) ve polieter eter keton (PEEK) gibi mühendislik malzemeleri bulunmaktadır. Özellikle PLA, yenilenebilir kaynaklardan elde edilen biyolojik olarak parçalanabilir bir termoplastik olması, düşük toksisiteye sahip olması ve kolay işlenebilirliği nedeniyle 3D baskı uygulamalarında yaygın olarak tercih edilmektedir. Bununla birlikte, PLA'nın mekanik özellikleri, özellikle darbe dayanımı ve yorulma ömrü açısından sınırlamalar barındırmakta olup, bu durum PLA'nın mühendislik uygulamalarındaki işlevselliğini kısıtlamaktadır. Standart mekanik testler, PLA'nın çekme mukavemetinin 20–80 MPa, Young modülünün 2.7–3.5 GPa, eğilme mukavemetinin 50–115 MPa ve eğilme modülünün 2.3–4.9 GPa arasında değiştiğini göstermektedir. Ancak, bu mekanik özellikler, üretim sürecindeki katman kalınlığı, dolgu yoğunluğu ve baskı yönü gibi parametrelere büyük ölçüde bağlı olup, FDM ile üretilen bileşenlerin genel performansını etkileyen kritik faktörlerdir. Yorulma analizi, özellikle havacılık, otomotiv ve enerji sektörü gibi yüksek güvenlik gereksinimleri bulunan endüstrilerde, malzemelerin uzun vadeli dayanıklılığını ve güvenilirliğini değerlendirmek için kullanılan temel bir mühendislik yöntemidir. Malzemeler, sadece statik yükler altında değil, tekrarlayan ve değişken mekanik yükler altında da çalışmak zorundadır. Bu nedenle, malzemelerin zaman içinde yorulma nedeniyle nasıl bir bozulma göstereceğini anlamak, güvenlik ve performans açısından kritik öneme sahiptir. Yorulma testi, malzemenin belirli bir gerilme seviyesinde kaç yükleme çevrimine kadar dayanabileceğini ölçmeyi amaçlar ve mikro çatlak oluşumu, ilerlemesi ve nihai arıza mekanizmaları hakkında önemli bilgiler sunar. Geleneksel statik mekanik testlerin aksine, yorulma testleri zaman içinde malzemede biriken hasarı değerlendirir ve böylece uzun süreli kullanım senaryolarına uygunluk konusunda daha gerçekçi veriler sağlar. Geleneksel yorulma testleri, genellikle makroskobik boyutlardaki numuneler üzerinde gerçekleştirilirken, katmanlı üretim (AM) ile üretilmiş küçük ve karmaşık geometrilere sahip parçaların değerlendirilmesi için farklı test tekniklerine ihtiyaç duyulmaktadır. Bu noktada, Dinamik Mekanik Analizör (Dynamic Mechanical Analyzer - DMA), özellikle küçük kesitli ve hassas yapılı AM numuneleri için yüksek hassasiyetli yorulma testleri yapmaya olanak tanımaktadır. DMA, numuneler üzerinde kontrollü mekanik titreşimler uygulayarak malzemenin viskoelastik davranışını, sönümleme kapasitesini ve yorulma dayanımını belirlemeye yardımcı olur. Geleneksel test yöntemlerine kıyasla daha düşük malzeme tüketimi gerektirmesi, küçük numunelerde yüksek doğruluk sağlaması ve kısa sürede geniş bir frekans aralığında test yapabilmesi gibi avantajları sayesinde, DMA katmanlı üretim malzemelerinin yorulma performansını değerlendirmede önemli bir araç olarak öne çıkmaktadır. Bu çalışmada, Eriyik Yığma Modelleme (FDM) yöntemi kullanılarak üç farklı dolgu desenine sahip PLA numuneleri 3 boyutlu yazıcı ile üretilmiş ve bu numunelerin yorulma dayanımı detaylı bir şekilde incelenmiştir. Katmanlı üretim (AM) sürecinde baskı parametrelerinin, son ürünün kalitesinde önmeli ölçüde etkisi olduğu söylenebilir. Bu parameterelere örnek olarak dolgu deseni, baskı yönü, baskının doluluk oranı, baskı açısı verilebilir. Bu parametrelerin her biri ayrı ayrı malzemenin mekanik özellikleri üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Bu nedenle, bu çalışmada farklı dolgu desenleri kullanılarak üretilen PLA numunelerinin mekanik özellikleri karşılaştırılmıştır. Eğilme mukavemeti ve yorulma özellikleri farklı dolgu desenleri kullanılarak üretilen PLA numuneleri için kıyaslanmıştır. Weibull dağılımı, yorulma testlerinden elde edilen verileri analiz etmek ve arıza olasılığını belirlemek için yaygın olarak kullanılan bir olasılık modeli olup, stres seviyesi, çevrim sayısı ve malzeme özellikleri arasındaki ilişkiyi tanımlayarak, PLA malzemesinin katmanlı üretim uygulamalarındaki güvenilirliği hakkında kritik istatistiksel veriler sunmaktadır. Yapılan analizler, farklı dolgu desenlerine sahip PLA numunelerinin yorulma ömrünün olasılıksal dağılımını ortaya koymuş ve malzeme dayanımını artırmaya yönelik mühendislik yaklaşımlarının geliştirilmesine katkı sağlamıştır. Sonuçlar, AM bileşenlerinin yorulma dayanıklılığının artırılması için optimum üretim parametrelerinin belirlenmesi gerektiğini ve dolgu deseninin, PLA'nın yorulma performansı üzerinde doğrudan etkili olduğunu göstermiştir. Bu bağlamda, çalışma PLA malzemesinin AM teknolojisindeki kullanım potansiyelini artırmaya yönelik önemli tasarım önerileri sunmaktadır Üç farklı baskı çeşidindeki üretilen PLA numunelerinin önce 3 nokta eğilme testi eğilme mukavemetleri bulunmuştur. Ardından eğilme mukavemetlerinin %40, 60, ve 80 oranlarındaki gerilim değerlerinde yorulma dayanımları araştırlmıştır. Weibul modeli kullanılarak elde edilen tes sonuçlarıyla birlikte farklı gerilim değerlerindeki yorulma dayanımları öngörülmüştür. Ayrıca, malzemelerin, farklı gerilim seviyelerindeki kırılma olasılıkları hesaplanmış ve graifkler yardımıyla gösterilmiştir. Sonuç olarak, bu çalışma, FDM ile üretilen PLA malzemelerinin yorulma davranışını deneysel ve istatistiksel yöntemlerle inceleyerek, AM bileşenlerinin güvenilirliğini ve mühendislik uygulamalarındaki potansiyel kullanım alanlarını belirlemeye yönelik önemli bulgular sunmaktadır. Çalışma kapsamında elde edilen sonuçlar, PLA malzemelerinin mekanik özelliklerini optimize etmek ve AM teknolojisinin endüstriyel uygulamalardaki rolünü genişletmek için yol gösterici niteliktedir.
Özet (Çeviri)
Additive manufacturing (AM), commonly termed 3D printing, has become a transformative manufacturing technique due to its capability for producing highly intricate, structures const-effective. Utilizing a digital model, AM constructs objects via a layer-by-layer deposition approach, bypassing traditional manufacturing processes such as casting and machining. This versatility and precision make AM invaluable across industries, particularly aerospace, where complex geometries are required. Fused deposition modeling (FDM), a popular AM technique, extrudes polymer filaments such as polylactic acid (PLA), acrylonitrile butadiene styrene (ABS), and polyether ether ketone (PEEK) to fabricate structures. However, despite its flexibility, FDM is generally applied to prototyping rather than functional parts due to limitations in the mechanical properties of printed materials. Polylactic acid (PLA), a biodegradable thermoplastic derived from renewable resources such as wheat and corn, is widely used in 3D printing due to its ease of processing, low toxicity, and environmental compatibility. PLA demonstrates strong dimensional stability and surface finish but has lower impact resistance compared to other thermoplastics, such as ABS, due to brittleness. Standardized mechanical tests reveal its tensile strength (20–80 MPa), Young's modulus (2.7–3.5 GPa), flexural strength (50–115 MPa), and flexural modulus (2.3–4.9 GPa), making it suitable primarily for non-load-bearing applications. Variability in these properties depends heavily on process parameters such as layer thickness, infill density, and build orientation, impacting FDM components' overall quality and functionality. Fatigue analysis is critical in materials science, especially for components in safety-sensitive industries like aerospace and automotive. Fatigue testing evaluates a material's durability under repetitive stress, with polymers often exhibiting fatigue failure at stress levels lower than those seen in static loading like a lot of materials. In contrast to conventional fatigue tests, the dynamic mechanical analyzer (DMA) also offers significant advantages for fatigue testing, especially for small cross-sectional samples. In addition, The Weibull distribution model is widely employed for statistical assessment of fatigue data, capturing failure probability through parameters such as stress and cycle count. By analyzing probabilistic fatigue life, the Weibull model provides critical insights into the reliability and longevity of AM components, supporting the design of more durable and resilient structures. In this study, statistical calculations were made using experimental study data using Weibull distribution.
Benzer Tezler
- Determination of the mechanical and dynamic properties of recycled concrete aggregate for pavement design
Yol üstyapısı tasarımı için geri dönüştürülmüş beton agregalarının mekanik ve dinamik özelliklerin belirlenmesi
MERVE AKBAŞ
Doktora
İngilizce
2024
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. RECEP İYİSAN
- Corrosion fatigue properties of 316L implant steel by double cantilever beams bending machine
Çift ankastre kirişli eğme makinası ile 316L implant çeliğinin yorulmalı korozyon özellikleri
ZAFER AZEM
Yüksek Lisans
İngilizce
1999
Makine MühendisliğiDokuz Eylül ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AHMET ÇAKIR
- Dişli çarklarda yük taşıma kabiliyetinin ve diş gibi gerilmelerinin incelenmesi
Investigation of root stresses and fatique strength of spur gears
MUZAFFER ERTEN
- Sürekli elyaf takviyeli termoplastik kompozit malzemelerin yorulma ömrü tahmininin sıcaklık değişimi yardımıyla belirlenmesi
Determination of fatigue life prediction of continuous fiber reinforced thermoplastic composite materials via temperature change
METE KAYIHAN
Doktora
Türkçe
2025
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA BAKKAL
- Alaşımlı yay çeliklerinin mikroyapı ve mekanik özelliklerine kriyojenik işlemin etkisi
Effect of cryogenic treatment on microstructural and mechanical properties of alloyed spring steels
REŞAT CAN ÖZDEN
Doktora
Türkçe
2020
Metalurji MühendisliğiEskişehir Osmangazi ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA ANIK