Production of continuous fiberglass reinforced uv-curable polymer matrix composite material with 90 degree elbow products by robotic additive manufacturing

Abstract

Kompozit malzemeler hafif ve dayanıklı olma özelliğinden dolayı birçok alanda yapısal malzeme olarak tercih edilmektedir. Bu sebeplerle, kompozit malzemelerin üretim yöntemleri geliştirilmektedir fakat otomasyona uyarlansa da henüz kalıp ile imalat ihtiyacından kurtulamamışlardır. Özellikle dirsekler ve benzeri açılı ürünlerin üretimi kalıp ihtiyacından dolayı maliyetlidir. Ayrıca kompozit dirseklerin üretimi filament sarma yöntemiyle kısıtlı olarak yapılmaktadır. Filament sarma yönteminde dirsek geometrisinin tek bir doğrultuda olmamasından dolayı sarım açısı ve sarım stratejisi sınırlı olarak geodezik ve geodezik olmayan şekillerde yapılabilmektedir. Bu şekilde yapılan sarmada, kalıbın bağlantı bölgesinden dolayı tam dik açıda sarım yapılamamaktadır. Bu da dayanım konusunda düşüşe sebep olmaktadır. Ayrıca sarım stratejisinde dirseğin etrafında tam bir simetrik helisel sarım sağlanamamaktadır. Bu kısıtları aşmak için eklemeli imalat yöntemleri umut vaat etmektedir. Fakat tek başına eklemeli imalat yöntemini kullanmak problemi çözmekte yeterli olmamaktadır. Öncelikle kalıpsız imalat yapabilmek ve muadil kompozit dirsekler ile rekabet edilebilir ürün elde edebilmek için, fotopolimer reçine ve sürekli fiber elyaf kullanarak ultra violet kürleme yöntemiyle kompozit üretimi tercih edilmiştir. Bu sebeple özel bir takım tasarımı ve üretimi gerçekleştirilmiştir. Sonrasında, optimum üretim parametreleri ve mekanik özellikler incelenmiştir. Son olarak, dirsek geometrisinden dolayı geleneksel üç eksende dilimleme işlemlerinden farklı stratejiler gerekmektedir. Bu sebeple düzlemsel olmayan dilimleme işlemi gerçekleştirilmiştir ve katmanlar halinde helisel sarım yapılmıştır. Tüm bunların yanı sıra filament sarma işleminde kullanılmayan fakat eklemeli imalat yönteminde uygulanan iç boşluklu yapı oluşturulmuştur. Böylece, farklı doluluk oranlarında, farklı fiber yoğunluğunda, farklı fiber sarım açılarında 90° açılı dirsekler üretilmiştir ve iç basınç dayanım testine tabi tutularak test edilmiştir. Sonuç olarak, bu yöntemle üretilen dirseklerde, kolay şekillendirme, istikrarlı ürün kalitesi, makul eksenel mukavemet ve çevrelenmiş mukavemet oranı elde edilebilmektedir.

Composite materials are preferred as structural materials in many areas due to their lightness and durability. For these reasons, the production methods of composite materials are developing, but although they are adapted to automation, they have not yet got rid of the need for molds for production. Especially the production of elbows and similar angled products is costly due to need for molds. In addition, production of composite elbows is limited by filament winding method. Due to the fact that the elbow geometry is not in a single direction in the filament winding method, the winding angle and winding strategy can be limited to geodesic and non-geodesic. In this way of winding, it is not possible to wind exactly at right angles due to the connection area of the mold. This causes a decrease in strength. In addition, a fully symmetrical helical winding around the elbow cannot be achieved in the winding strategy. Additive manufacturing methods are promising to overcome these limitations. However, using the additive manufacturing method alone is not enough to solve the problem. First of all, in order to be able to manufacture without molds and to obtain products that can compete with equivalent composite elbows, composite production by ultra violet curing method using photopolymer resin and continuous fiber fiber was preferred. For this reason, a special tool design and production was carried out. Afterwards, optimum production parameters and mechanical properties were investigated. Finally, different strategies are required from traditional three axes slicing operations due to elbow geometry. For this reason, non-planar slicing is performed and helical winding is made in layers. In addition to all these, a hollow structure, which is not used in filament winding but applied in the additive manufacturing method, has been created. Thus, 90° angled elbows with different filling rates, different fiber densities, different fiber winding angles were produced and tested by subjecting to the internal pressure strength test. As a result, elbows produced by this method can be easily formed, stable product quality, reasonable axial strength and circumferential strength ratio.