3B eklemeli üretim yöntemiyle üretilmiş hücresel kafes yapılı sandviç panellerin mekanik davranışlarının incelenmesi

Abstract

Eklemeli üretim, üç boyutlu model verileri kullanılarak malzemelerin katmanlar halinde üst üste biriktirilmesiyle nesnelerin oluşturulduğu üretim yöntemidir. Birçok farklı çeşidi olan eklemeli üretim teknolojileri arasında, dünyada en yaygın kullanıma sahip eklemeli üretim yöntemi Eriyik Yığma Modelleme olarak bilinmektedir. Eriyik Yığma Modelleme eklemeli üretim yöntemi, termoplastik malzemenin belirli bir sıcaklıkta eritilmesi ve katmanlar halinde uygun takım yolu boyunca üst üste biriktirilmesiyle modelin oluşturulduğu üç boyutlu eklemeli üretim yöntemi olarak tanımlanabilir.Modern yapı teknolojileri, toplam ağırlığı azaltmak ve aynı zamanda yeterli dayanıma sahip yapılar üretebilmek için kompozit malzemelerin kullanımına önem vermektedir. Kullanılan bu kompozit malzemelerden biri de sandviç yapılardır. Düşük ağırlıklarından dolayı tercih edilen sandviç yapılar yüksek eğilme dayanımı, titreşim sönümleme, enerji emilimi ve ısı yalıtımı gibi birçok farklı özelliklerinden dolayı da çeşitli endüstri alanlarında kullanılmaktadır. Sandviç yapıların imalatında eklemeli üretimin kullanılması çok çeşitli avantajlar sağlamıştır. Bu avantajların en önemlisi, geleneksel yöntemlerle üretilmesi oldukça zor ya da imkânsız olan periyodik hücresel çekirdeğin yapısını ve geometrisini değiştirerek, geniş bir ölçekte fonksiyonel özelliklerin programlanabilmesine imkân sağlayabilmesidir. Ayrıca periyodik hücresel yapılar, düşük yoğunlukta yüksek rijitlik, yüksek eğilme dayanımı ve yüksek enerji emilimi gibi birçok avantaja sahiptir. Eklemeli üretimin vermiş olduğu geometrik özgürlük neticesinde çok çeşitli hücresel malzemeler, sandviç panellerde çekirdek olarak kullanılabilmekte ve istenilen fonksiyonel özellikler hücre şeklinin değiştirilmesiyle sağlanabilmektedir. Eklemeli üretimin sunmuş olduğu bu avantajlardan dolayı, bu tez çalışmasında eklemeli üretim ile üretilen hücresel kafes yapılarının mekanik özellikleri incelenmiştir.Bu çalışmada, sandviç yapıya sahip basma ve eğme numunelerinin çekirdek bölümünde, farklı birim hücre şekilleri kullanılmıştır. Sandviç yapıların çekirdek bölümünde kullanılan birim hücre şekilleri yatay bal peteği, dikey bal peteği, yatay truss, dikey truss, kübik, gyroid ve iskelettir. Kullanılan bu farklı hücre şekillerinin her birinin birim hücre boyutları sabit ve 5mm×5mm×5mm değerindedir. Tüm hücresel yapılar, yalnızca hücre kalınlıkları değiştirilerek %20, %40 ve %60 izafi yoğunluk değerinde olacak şekilde, bilgisayar destekli tasarım programı yardımıyla tasarlanmıştır. Farklı izafi yoğunluk ve birim hücre şekilleri kullanılarak oluşturulmuş sandviç yapıdaki basma ve eğme numunelerinin mekanik özellikleri karşılaştırılmış ve en iyi mekanik özelliklerin elde edildiği birim hücre şekilleri tespit edilmiştir. Basma numuneleri, Ultimaker 3 Extended üç boyutlu eklemeli üretim cihazı kullanılarak, polilaktik asit (PLA) ve karbon fiber takviyeli polilaktik asit (CFR-PLA)malzemesinden üretilmiştir. Eğme numuneleri ise Ultimaker 3 Extended cihazı kullanılarak, PLA malzemesinden üretilmiştir. Ayrıca eklemeli olarak üretilmiş periyodik hücresel çekirdeğe sahip eğme numunelerinin alt ve üst yüzeylerine, vakum infüzyon yöntemiyle üretilen karbon fiber kompozit plakaların yapıştırılmasıyla sandviç kompozit eğme numuneleri üretilmiştir. Basma numunelerine ASTM C365 standardına ve eğme numunelerine ise ASTM C393/C393M standardına uygun olarak basma ve üç nokta eğme testleri uygulanmıştır. Testler Shimadzu 250kN test cihazında yapılmıştır.Bu tez çalışması sonucunda basma özelliklerinin birim hücre şekline, izafi yoğunluğa ve malzemeye bağlı değişimleri incelenmiştir. En yüksek basma dayanımı ve elastisite modülünün çekme baskın deformasyon davranışı gösteren dikey truss, dikey bal peteği ve kübik birim hücrelerine sahip numunelerde ortaya çıktığı gözlemlenmiştir. Ayrıca izafi yoğunluğu arttırmak mekanik özellikleri belirli ölçüde arttırmıştır. Eğme özelliklerinin ise birim hücre şekline ve karbon fiber plaka takviyesine bağlı değişimi incelenmiştir. Alt ve üst yüzeylere takviye edilen karbon fiber kompozit plakaların eğme dayanımı, elastisite modülü, tokluk ve enerji emme kabiliyetini önemli ölçüde arttırdığı bu çalışma ile ortaya çıkarılmıştır.

Additive manufacturing is a production method in which 3D model data is used to produce objects by depositing the material layer by layer. Fused deposition modeling is the most widely used method compared to other various additive manufacturing technologies. Fused deposition modeling as a 3D additive manufacturing method is defined as layer-by-layer deposition of thermoplastic material along the designated path to create an object after melting it at a set temperature.The usage of composite materials is considered important to manufacture structures with sufficient strength and reduced total weight in modern structures. Sandwich composites are one of the materials used by industry. Various industries use sandwich composites to benefit from their high flexural strength, vibration damping, energy absorption and heat insulation properties in addition to their light weight. The use of additive manufacturing for production of sandwich structures provides a wide variety of advantages. Additive manufacturing not only provides an option to manufacture periodic lattice structures, which are difficult or impossible to produce by conventional methods, but also allows programming of functional features on a large scale by adjusting the structure and geometry. Furthermore, periodic lattice structures have many additional advantages such as high stiffness, high flexural strength and high-energy absorption at low density. Because of the geometrical freedom given by additive manufacturing, a wide variety of lattice materials can be used as the core in sandwich panels and the desired properties can be achieved by changing the cell geometry. Due to these advantages, the mechanical properties of lattice structures produced by additive manufacturing were investigated in this thesis.In this study, different unit cell geometries were used as the core structure in the sandwich compression and flexural test samples. The unit cell shapes used in the core section of sandwich samples are horizontal honeycomb, vertical honeycomb, horizontal truss, vertical truss, cubic, gyroid and skeleton. The dimensions of every unit cell was selected as 5mm × 5mm. All lattice structures were designed with the help of a computer-aided design program to have relative densities of 20%, 40% and 60%, by only adjusting the wall thickness of cellular structures. The mechanical properties of the compression and flexural test samples with different relative densities and unit cell shapes were compared and best performing unit cell shapes were determined. Compression test samples were produced from polylactic acid (PLA) and carbon fiber reinforced polylactic acid (CFR-PLA) using the Ultimaker 3 Extended which is a three-dimensional additive manufacturing device. However, flexural test samples were produced only from PLA material using same device. Next, carbon fiber composite plates were manufactured by vacuum infusion method and then sandwich composite flexural test specimens were obtained by glueing the carbon fiber composite plates to the lower and upper surfaces of lattice core structures produced by additive manufacturing. Compression and flexural tests were carried out on Shimadzu universal testing machine with the capacity of 250kN in accordance with ASTM C365 and ASTM C393/C393M, respectively.In this thesis, the changes of compression properties were investigated depending on the shape of the unit cell, relative density and material. The highest compressive strength and modulus of elasticity were observed in samples with vertical truss, vertical honeycomb and cubic unit cells, which exhibit stretching-dominant deformation behavior. In addition, increasing the relative density increased the mechanical properties to a certain extent. The changes of the flexural properties of the samples were investigated depending on the unit cell geometry and carbon fiber plate reinforcement. This study found that carbon fiber reinforced composite plates significantly increased flexural strength, modulus of elasticity, toughness and energy absorption.