An experimental and numerical study on the effects of nanoadditives and material extrusion parameters on the mechanical and flexural characteristics of ABS/PVC blend polymer core sandwich panels
[ X ]
Tarih
2023
Yazarlar
Dergi Başlığı
Dergi ISSN
Cilt Başlığı
Yayıncı
Adana Alparslan Türkeş Bilim ve Teknoloji Üniversitesi
Erişim Hakkı
info:eu-repo/semantics/openAccess
Özet
Bu tez, erimiş biriktirme modellemesi (EBM) kullanılarak üretilen kompozit çekirdek kabuk yapıların eğilme tepkisi üzerinde farklı çekirdek yapılarının etkilerini araştırmaktadır. Çalışma, çeşitli EBM parametrelerinin ve temel matris malzemesinin kompozit yapıların mekanik özellikleri üzerindeki etkisini keşfetmektedir. Yapay sinir ağları (YSA) ile regresyon modelleme kullanılarak 3D baskı örneklerinin düzlem içi ve düzlem dışı elastiklik modülü ve maksimum çekme mukavemeti gibi mekanik değişkenleri tahmin etmektedir. Karınca kolonisi optimizasyonu (KKO) kullanarak EBM parametrelerini ve malzeme bileşimini optimize etmek için optimizasyon teknikleri uygulanarak mekanik performansı artırılmaktadır. Elde edilen regresyon modelleri mekanik özelliklerdeki değişimleri analiz etmek için çubuk grafikleri ve yüzey tepkileri ile görselleştirilmekte ve optimizasyon algoritmaları, yanıt değişkenlerini bireysel ve toplu olarak maksimize eden malzeme ekstrüzyon parametrelerini belirlemektedir. Çalışmada, PVC ve karbon nanofiber (CNF) gibi katkı maddelerinin, 3D baskı örneklerinin ve kompozit çekirdek kabuk sandviç panel (KÇKSP) numunelerinin mekanik özellikleri üzerindeki etkisi hakkında bilgiler sunulmaktadır. Çalışma, malzeme ekstrüzyon parametrelerinin ve katkı maddelerinin uyumluluğunun, özellikle malzeme ekstrüzyon parametrelerinin dikkatli seçimi ve optimize edilmesiyle 3D baskı malzemelerinin mekanik özelliklerinin belirli uygulamalara uygun şekilde şekillendirilebileceğini vurgulamaktadır. Ayrıca, araştırma, EBM'nin özelleştirilmiş mekanik özelliklere sahip kompozit çekirdek kabuk yapıların üretimi için geçerli bir üretim tekniği olarak potansiyelini göstermektedir. Çekirdek yapılarının ve EBM parametrelerinin optimize edilmesiyle, üretilen yapıların eğilme tepkisi ve genel performansı artırılabilmektedir. Bu araştırmanın sonuçları, özellikle kompozit çekirdek kabuk yapılarının bağlamında, eklemeli imalatın ilerlemesine katkıda bulunmaktadır. Bulgular, EBM süreçlerini ve malzeme bileşimlerini optimize etme konusunda mühendisler ve araştırmacılar için değerli bir bilgi sunmaktadır. Bu çalışmanın temel bulguları şunları içermektedir: Ana eksenlerin farklı yönelimlerinde üretilen 3D baskı örneklerinin mekanik özelliklerinin analizi, PVC katkısının özellikle daha düşük ekstrüzyon hızlarında ve baskı yönelimlerinde düzlem içi sertliği iyileştirdiğini göstermektedir. CNF varlığının ise farklı baskı yönelimlerinde sertliğe sınırlı etkisi vardır. Nihai mukavemetin incelenmesi, PVC'nin tek başına etkili bir şekilde artırmadığını, ancak CNF katkısının artan ekstrüzyon hızlarına bağlı olarak azalmayı engellediğini özellikle [0/90°] raster yönelimli örneklerde göstermektedir. CNF'nin katılması, ABS ve PVC molekülleri arasındaki mekanik bağlantılarla birlikte bir yük taşıma ağı oluşturarak numunelerin nihai mukavemetini artırmaktadır. Hibrit dairesel/üçgen dalgalı çekirdekler ile KÇKSP'lerin yanıt yüzeyi analizi, malzeme ekstrüzyon parametrelerinin ve polimer bileşiminin eğilme tepkisine olan etkisini açıklamaktadır. PVC katkısı eğilme sertliği artırırken, CNF varlığı özellikle daha yüksek ekstrüzyon hızlarında sertliği azaltabilmektedir. Optimizasyon süreci, optimal parametre kombinasyonlarının genellikle matris içinde CNF olmadığı örnekleri içerdiğini, ancak PVC konsantrasyonu daha yüksek bileşimlerde CNF katkısının mekanik ve eğilme tepkisine olumlu etkisi olabileceğini göstermektedir. CNF konsantrasyonu, PVC oranı ve ekstrüzyon parametrelerinin istenen mekanik özelliklerin elde edilmesi ve 3D baskı yapılarının performansının şekillendirilmesi açısından önemlidir.
This thesis investigates the effects of different core structures on the flexural response of composite core shell structures fabricated using fused deposition modeling (FDM). The study explores the influence of various FDM parameters and the composition of the base matrix material on the mechanical properties of the structures. Regression modeling with artificial neural networks (ANN) is employed to predict the mechanical variables of the 3D printed samples, such as in-plane and out-of-plane modulus of elasticity and ultimate strength. Optimization techniques using ant colony optimization (ACO) are applied to optimize the FDM parameters and material composition, resulting in improved mechanical performance. The obtained regression models are used to analyze variations in mechanical properties, visualized through bar-charts and surface responses, and optimization algorithms determine the material extrusion parameters that maximize the response variables individually and cumulatively. Insights are provided into the influence of material extrusion parameters and the compatibility of additives, such as PVC and carbon nanofibers (CNFs), on the mechanical characteristics of 3D printed samples and composite core shell sandwich panel (CCSSP) specimens. The study highlights the potential for tailoring the mechanical properties of 3D printed materials for specific applications through careful selection and optimization of material extrusion parameters. Furthermore, the research demonstrates the potential of FDM as a viable manufacturing technique for producing composite core shell structures with tailored mechanical properties. By optimizing the core structures and FDM parameters, the flexural response and overall performance of the fabricated structures can be enhanced. The outcomes of this research contribute to the advancement of additive manufacturing, particularly in the context of composite core shell structures. The findings offer valuable knowledge for engineers and researchers in optimizing FDM processes and material compositions to achieve desired mechanical properties for specific applications. Key findings of this study include the analysis of mechanical properties of 3D printed samples fabricated at different orientations of principal axes, with the addition of PVC improving in-plane stiffness, particularly at lower extrusion rates and printing orientations. The presence of CNFs has a limited effect on stiffness at different printing orientations. Investigation of ultimate strength reveals that PVC alone does not effectively enhance it, but the inclusion of CNFs counteracts the reduction caused by increased extrusion rates, particularly for samples with a raster orientation of [0/90°]. The addition of CNFs creates a load-carrying network through mechanical interlocking, improving the compatibility between ABS and PVC molecules and the ultimate strength of the samples. The response surface analysis of CCSSPs with hybrid circular/triangular corrugated cores (HCTC) elucidates the influence of material extrusion parameters and polymer composition on the flexural response. PVC addition improves flexural stiffness, while CNF presence can reduce stiffness, especially at higher extrusion rates. The optimization process indicates that optimal parameter combinations often involve samples without CNF in the matrix, although the addition of CNF can positively influence the mechanical and flexural response of 3D printed samples for compositions with higher PVC concentrations. Considering CNF concentration, PVC ratio, and extrusion parameters is crucial for achieving desired mechanical properties and tailoring the performance of 3D printed structures.
This thesis investigates the effects of different core structures on the flexural response of composite core shell structures fabricated using fused deposition modeling (FDM). The study explores the influence of various FDM parameters and the composition of the base matrix material on the mechanical properties of the structures. Regression modeling with artificial neural networks (ANN) is employed to predict the mechanical variables of the 3D printed samples, such as in-plane and out-of-plane modulus of elasticity and ultimate strength. Optimization techniques using ant colony optimization (ACO) are applied to optimize the FDM parameters and material composition, resulting in improved mechanical performance. The obtained regression models are used to analyze variations in mechanical properties, visualized through bar-charts and surface responses, and optimization algorithms determine the material extrusion parameters that maximize the response variables individually and cumulatively. Insights are provided into the influence of material extrusion parameters and the compatibility of additives, such as PVC and carbon nanofibers (CNFs), on the mechanical characteristics of 3D printed samples and composite core shell sandwich panel (CCSSP) specimens. The study highlights the potential for tailoring the mechanical properties of 3D printed materials for specific applications through careful selection and optimization of material extrusion parameters. Furthermore, the research demonstrates the potential of FDM as a viable manufacturing technique for producing composite core shell structures with tailored mechanical properties. By optimizing the core structures and FDM parameters, the flexural response and overall performance of the fabricated structures can be enhanced. The outcomes of this research contribute to the advancement of additive manufacturing, particularly in the context of composite core shell structures. The findings offer valuable knowledge for engineers and researchers in optimizing FDM processes and material compositions to achieve desired mechanical properties for specific applications. Key findings of this study include the analysis of mechanical properties of 3D printed samples fabricated at different orientations of principal axes, with the addition of PVC improving in-plane stiffness, particularly at lower extrusion rates and printing orientations. The presence of CNFs has a limited effect on stiffness at different printing orientations. Investigation of ultimate strength reveals that PVC alone does not effectively enhance it, but the inclusion of CNFs counteracts the reduction caused by increased extrusion rates, particularly for samples with a raster orientation of [0/90°]. The addition of CNFs creates a load-carrying network through mechanical interlocking, improving the compatibility between ABS and PVC molecules and the ultimate strength of the samples. The response surface analysis of CCSSPs with hybrid circular/triangular corrugated cores (HCTC) elucidates the influence of material extrusion parameters and polymer composition on the flexural response. PVC addition improves flexural stiffness, while CNF presence can reduce stiffness, especially at higher extrusion rates. The optimization process indicates that optimal parameter combinations often involve samples without CNF in the matrix, although the addition of CNF can positively influence the mechanical and flexural response of 3D printed samples for compositions with higher PVC concentrations. Considering CNF concentration, PVC ratio, and extrusion parameters is crucial for achieving desired mechanical properties and tailoring the performance of 3D printed structures.
Açıklama
Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Anahtar Kelimeler
Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
