Eklemeli imalat yöntemi ile üretilen karbon fiber takviyeli nylon malzemeli ürünlerde üretim parametrelerinin yorulma dayanımı üzerindeki etkilerinin araştırılması ve endüstriyel bir uygulama

Abstract

Eriyik yığma modelleme yöntemi, son yıllarda polimer kompozitlerin üretiminde geniş bir uygulama alanı bulmuş ve endüstriyel üretimde geleneksel yöntemlere kıyasla önemli avantajlar sunmuştur. Karbon fiber filamentler, eklemeli imalat teknolojilerinde kullanılan malzemeler arasında üstün mekanik özellikleriyle öne çıkmaktadır. Eklemeli imalat sürecinde baskı sıcaklığı, katman kalınlığı ve baskı hızı gibi proses parametreleri, ürünün mekanik özelliklerini doğrudan etkilemektedir. Bu sebeple, optimum üretim parametreleriyle elde edilen nesnelerin, kullanım ömürlerinin doğru bir şekilde tespit edilmesi zorunlu hale gelmiştir. Yorulma süreci, tekrarlanan yüklerin sonucunda malzeme içerisinde stres birikmeleri ile beraber mikro çatlakların oluşumu olarak tanımlanmaktadır. Oluşan mikro çatlaklar, yükleme sırasında genişleyerek malzemenin kırılmasına yol açmaktadır. Karbon fiberlerin yorulma süreci, genellikle fiber-matris arayüzünde ya da fiberler arasında oluşan mikro çatlakların başlamasıyla tetiklenmektedir. Ancak, bu süreçlerin karmaşık yapısı nedeniyle, karbon fiberlerin yorulma davranışının detaylı bir şekilde analiz edilmesi büyük önem taşımaktadır. Kompozit takviyeli polimer malzemelere ait yorulma davranışları genellikle yalnızca tek eksenli yorulma testleri çerçevesinde incelenmektedir. Bu durum, özellikle dinamik yük altında çalışan makine elemanlarında kullanılan karbon fiber takviyeli parçaların yorulma davranışlarının incelenmesi açısından büyük bir önem taşımaktadır. Bu çalışmada, bu doğrultuda dinamik yük altındaki yorulma sürecine odaklanılmıştır. Kullanılan kompozit filament, %15 oranında karbon fiber içermektedir. Deney süreci değişken ve sabit parametrelerin belirlenmesi ile başlatılmıştır. Sabit parametre nozül sıcaklığı, değişken parametreler katman yüksekliği ve yapım yönü olarak belirlenmiştir. Bu çalışmada tam faktöriyel deney tasarım metodu tercih edilmiştir. Hemen sonrasında, CAD yazılımı aracılıyla numunelerin 3 boyutlu tasarımları hazırlanmıştır. Numune üretiminin ardından gerekli yüzey hazırlama işlemleri tamamlanmış ve akabinde, döner eğilme yorulma test cihazında belirlenen kuvvetlerle beraber test süreci gerçekleştirilmiştir ve yorulma ömürleri ayrıntılı olarak incelenmiştir. Test sonuçları ile beraber Wöhler yorulma eğrisi ve buna bağlı spesifik bir fonksiyon elde edilmiştir. Tüm veriler ANOVA (varyans analizi) ile incelenmiştir. Varyans analizi sonrası, yorulma ömrü açısından ideal parametrelerin belirlenmiş ve buna bağlı endüstriyel bir uygulama gerçekleştirilmiştir.

In recent years, the Fused Deposition Modeling method has found wide application in the production of polymer composites, offering significant advantages over traditional manufacturing techniques. Carbon fiber filaments stand out among additive manufacturing materials due to their superior mechanical properties, and process parameters such as printing temperature, layer thickness, and printing speed directly affect the mechanical performance of the final product. Therefore, accurately determining the service life of parts produced with optimal parameters has become essential. Fatigue is defined as the formation of microcracks caused by stress accumulation from repeated loading, which expand and lead to material failure. In carbon fibers, fatigue typically initiates at the fiber-matrix interface or between fibers, and due to the complexity of these mechanisms, a detailed analysis of their fatigue behavior is critical. Fatigue behavior of composite-reinforced polymers is generally studied using uniaxial fatigue tests, but evaluating their performance under dynamic loads is especially important for machine components made from carbon fiber-reinforced materials. This study focuses on the fatigue process under dynamic loading using a composite filament containing 15% carbon fiber. The experimental setup began with defining constant and variable parameters—nozzle temperature was kept constant, while layer height and build orientation were varied, using a full factorial experimental design. After designing the test specimens in CAD software and completing the 3D printing and surface preparation, fatigue tests were performed on a rotating bending fatigue tester, and fatigue life was analyzed in detail. Based on the results, a Wöhler fatigue curve and a specific function were derived. All data were evaluated using ANOVA (analysis of variance), and ideal parameters for maximum fatigue life were determined, followed by an industrial application based on these findings.