Kafes Yapıların Malzeme Ekstrüzyonu ile Üretiminden Dolayı Çekme Testi Sonuçlarında Oluşan Belirsizliklerin İncelenmesi

Abstract

Teknolojinin sürekli gelişimiyle birlikte, malzeme ekstrüzyonuna dayalı bir eklemeli imalat yöntemi olan ergiyik filament fabrikasyonu (EFF), mühendislikten tıbba kadar çeşitli alanlarda geniş bir kullanım alanı bulmuştur. 3 boyutlu (3B) baskı teknolojisi olarak da bilinen bu yöntem, tasarım esnekliği, maliyet etkinliği ve malzeme israfını azaltma gibi önemli avantajlar sunmaktadır. Bu teknoloji, geleneksel üretim yöntemlerine kıyasla daha karmaşık ve özgün tasarımların oluşturulmasına olanak tanıyarak, özellikle otomotiv, havacılık ve biyomedikal mühendislik gibi sektörlerde yenilikçi çözümler sunmaktadır. Ayrıca, hızlı prototipleme yetenekleri sayesinde tasarım süreçlerini hızlandırarak üretim döngülerini kısaltmaktadır. Son yıllarda 3B yazıcı teknolojilerindeki hızlı ilerlemeler, endüstriyel üretim süreçlerinde devrim yaratarak, daha hafif ve dayanıklı yapıların geliştirilmesine olanak sağlamıştır. Bu bağlamda, biyobozunur bir termoplastik polimer olan polilaktik asit (PLA) kullanılarak EFF yöntemiyle üretilen kafes yapılar, yenilikçi tasarımları ve çok yönlü uygulama potansiyelleriyle dikkat çekmektedir. Kafes yapılar, malzeme kullanımını optimize ederek yüksek performans ve düşük ağırlık 8 gereksinimlerini karşılamak üzere tasarlanmıştır. Özellikle araç gövdeleri, çarpışma enerjisi emilimi için tasarlanmış yapılar ve biyomedikal implantlar gibi kritik alanlarda başarılı sonuçlar elde edilmiştir. Bununla birlikte, EFF ile üretilen kafes yapıların mekanik özelliklerinde görülen belirsizlikler, bu yapıların tasarım ve üretim süreçlerini etkileyen önemli bir faktör olarak karşımıza çıkmaktadır. Bu çalışma, PLA kullanılarak EFF yöntemiyle üretilen tek kafes hücrelerinin çekme testi altındaki mekanik özelliklerindeki belirsizlikleri incelemeyi amaçlamaktadır. Araştırmada, üretim maliyetlerini minimize etmek için tek kafes hücreli numuneler kullanılmış ve iki farklı numune tasarımı geliştirilmiştir. İlk tasarımda, yüksek mukavemetli yapıştırıcıyla sabitlenen hücreler, ikinci tasarımda ise PLA'dan üretilen bütünleşmiş fikstürler kullanılmıştır. Çekme testleri sırasında deformasyon davranışları kamera görüntüleriyle detaylı olarak analiz edilmiş ve mekanik özellikler üzerindeki olasılık dağılım fonksiyonları incelenmiştir. Elde edilen sonuçlar, farklı kafes türleri ve çubuk çaplarının mekanik özellikler üzerindeki etkilerini ortaya koymuş ve bu yapıların tasarım ve üretim süreçlerinde daha yüksek güvenilirlik ve performans elde edilmesine yönelik önemli bulgular sunmuştur. Özellikle otomotiv, havacılık ve biyomedikal alanlarda EFF ile üretilen kafes yapıların kullanımı, bu sektörlerin ihtiyaçlarına yönelik etkili çözümler sunarak dikkat çekmektedir. Araştırma sonuçları, EFF yönteminin gelecekte daha karmaşık ve dayanıklı yapıların geliştirilmesine olanak tanıyacak potansiyele sahip olduğunu göstermektedir. Böylelikle hem mühendislik hem de biyomedikal uygulamalarda, bu teknolojinin kullanımının artması beklenmektedir. EFF ile üretilen kafes yapıların mekanik özelliklerindeki belirsizliklerin anlaşılmasını sağlayarak, bu belirsizliklerin kontrol edilmesi ve optimize edilmesine yönelik yol gösterici bir kaynak oluşturmayı hedeflemektedir. Araştırma, endüstriyel uygulamalarda daha verimli, hafif ve dayanıklı çözümler geliştirilmesine katkıda bulunmayı amaçlamaktadır.

With the continuous development of technology, material extrusion-based additive manufacturing, also known as fused filament fabrication (FFF), has found widespread use in various fields ranging from engineering to medicine. This method, also referred to as 3 dimensional (3D) printing technology, offers significant advantages such as design flexibility, cost efficiency, and the reduction of material waste. Compared to traditional manufacturing methods, this technology enables the creation of more complex and unique designs, providing innovative solutions especially in sectors such as automotive, aerospace, and biomedical engineering. Furthermore, its rapid prototyping capabilities accelerate design processes and shorten production cycles. In recent years, the rapid advancements in 3D printing technologies have revolutionized industrial production processes, enabling the development of lighter and more durable structures. In this context, lattice structures produced using the FFF method with polylactic acid (PLA), a biodegradable thermoplastic polymer, stand out with their innovative designs and versatile application potential. These structures are 11 designed to optimize material use while meeting high-performance and low-weight requirements. Particularly in critical applications such as vehicle bodies, energy absorption structures, and biomedical implants, significant successes have been achieved. However, uncertainties observed in the mechanical properties of lattice structures produced via FFF, particularly in parameters such as tensile strength and stiffness, pose a major challenge to their design and production processes. This study aims to examine the uncertainties in the mechanical properties of single lattice cells manufactured using PLA through FFF under tensile testing. To minimize production costs, single-cell samples were used, and two different designs were developed. The first design employed cells fixed with high-strength adhesives, while the second incorporated integrated fixtures made of PLA. Deformation behaviors were thoroughly analyzed using video recordings captured during tensile tests, and probability distribution functions were applied to the mechanical property data. The findings revealed the effects of different lattice types and strut diameters on mechanical properties, providing significant insights for achieving higher reliability and performance in the design and production processes of these structures. The use of lattice structures produced via FFF, particularly in the automotive, aerospace, and biomedical sectors, has proven to be an effective solution addressing the specific needs of these industries. The results of the study suggest that the FFF method has the potential to facilitate the development of more complex and durable structures in the future, increasing its adoption in both engineering and biomedical applications. This study aims to provide a comprehensive understanding of the uncertainties in the mechanical properties of lattice structures produced via FFF, guiding the control and optimization of these uncertainties. The research contributes to the development of more efficient, lightweight, and durable solutions in industrial applications.