3 Boyutlu (3D) yazıcıda üretilen polilaktik asit (PLA) numunelerinin mekanik özelliklerine dolgu maddesi yoğunluğunun etkisi

Abstract

Bu çalışmada, 3D yazıcı ile üretilen PLA (Polilaktik Asit) numunelerinin mekanik, termal ve maliyet analizleri gerçekleştirilmiş ve poliüretan köpük ile epoksi reçine dolgu malzemelerinin bu özelliklere etkileri incelenmiştir. ASTM D638 ve D5023 standartlarına uygun olarak hazırlanan %10 ve %20 doluluk oranlarına sahip PLA numuneleri, dolgu malzemeleri ile desteklenmiş ve çekme, eğme testleri gibi mekanik testlere tabi tutulmuştur. Ayrıca, dolgu malzemelerinin dağılımı ve termal davranışlarını incelemek için SEM (Taramalı Elektron Mikroskobu) ve TGA (Termal Gravimetrik Analiz) yöntemleri kullanılmıştır. Çekme testi sonuçlarına göre, poliüretan köpük dolgu, PLA'nın rijitliğini %16-22 oranında artırmış, ancak maksimum gerilme ve uzama değerlerinde yalnızca %10-15 düzeyinde sınırlı bir iyileşme sağlamıştır. Buna karşılık, epoksi reçine dolgu, PLA'nın mekanik dayanımını artırarak maksimum gerilme değerlerinde %20, uzama değerlerinde ise %15'e kadar bir artış sağlamıştır. Eğme testi sonuçlarında, kontrol grubu (dolgu malzemesi içermeyen PLA), en yüksek elastisite modülü (3177 N/mm²) ve maksimum gerilme değerlerine (91,59 N/mm²) sahip olurken, dolgu malzemeleri ile desteklenmiş PLA numunelerinde bu değerlerde %10-30 arasında bir düşüş gözlemlenmiştir. Ancak, epoksi reçine dolgulu PLA, poliüretan dolgulu PLA'ya kıyasla %15 daha iyi mekanik performans sergilemiştir. Termal analizler, poliüretan dolgunun PLA'nın termal kararlılığını %5-7 arasında bir miktar düşürdüğünü, epoksi reçinenin ise termal kararlılığı %8-10 artırdığını göstermiştir. SEM görüntüleri, poliüretan dolgunun matriks içinde düzensiz bir şekilde dağıldığını ve kümelenmelere yol açtığını ortaya koyarken, epoksi reçinenin PLA ile daha homojen bir dağılım ve güçlü bir ara yüzey bağı oluşturduğunu göstermiştir. Maliyet analizi sonuçları, poliüretan dolgulu PLA'nın düşük maliyetli uygulamalar için uygun olduğunu, epoksi reçine dolgulu PLA'nın ise maliyetinin %19 daha yüksek olmasına rağmen, yüksek performans gerektiren uygulamalar için avantajlı olduğunu göstermiştir. Sonuç olarak, bu çalışma, dolgu malzemelerinin PLA'nın mekanik ve termal özelliklerini geliştirme potansiyelini ortaya koymuş, dolgu türü ve doluluk oranının optimize edilmesi gerektiği vurgulanmıştır. Bu çalışma, PLA'nın özelleştirilerek farklı endüstriyel alanlara uyarlanabileceğini göstermektedir.In this study, mechanical, thermal and cost analyses of PLA (Polylactic Acid) samples produced by 3D printer were performed and the effects of polyurethane foam and epoxy resin fillers on these properties were investigated. PLA samples with 10% and 20% filling ratios prepared in accordance with ASTM D638 and D5023 standards, were supported with fillers and subjected to mechanical tests such as tensile and bending tests. Additionally, Scanning Electron Microscopy and Thermal Gravimetric Analysis methods were used to examine the distribution and thermal behavior of the filling materials. According to the tensile test results, polyurethane foam filling increased the rigidity of PLA by 16-22%, but only provided a limited improvement of 10-15% in maximum stress and elongation values. In contrast, epoxy resin filler increased the mechanical strength of PLA, providing an increase of up to 20% in maximum tensile values and up to 15% in elongation values. In the bending test results, the control group (PLA without filler material) had the highest elastic modulus (3177 N/mm²) and maximum tensile values (91.59 N/mm²), while a 10-30% decrease in these values was observed in the PLA samples supported with filler materials. However, epoxy resin-filled PLA exhibited 15% better mechanical performance compared to polyurethane-filled PLA. Thermal analysis showed that the polyurethane filler slightly decreased the thermal stability of PLA by 5-7%, while the epoxy resin increased the thermal stability by 8-10%. SEM images revealed that the polyurethane filler was unevenly distributed in the matrix, leading to clusters, while the epoxy resin formed a more homogeneous distribution and strong interfacial bond with PLA. Cost analysis results showed that polyurethane-filled PLA is suitable for low-cost applications, while epoxy resin-filled PLA is advantageous for applications requiring high performance, although its cost is 19% higher. In conclusion, this study demonstrated the potential of fillers to improve the mechanical and thermal properties of PLA, and emphasized the need to optimize the filler type and filling ratio. This study shows that PLA can be customized and adapted to different industrial fields.