Toz yataklı eklemeli imalat yöntemine uygun hidrolik fren kaliperi tasarımı ve imalatının araştırılması
Hydraulic brake caliper design for powder bed fusion additive manufacturing and investigation of manufacturing
Yazar: MEHMET ÖZAKINCI
Danışman: PROF. DR. RAHMİ ÜNAL
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Metal eklemeli imalat her geçen gün daha yaygın hale gelmekte ve geleneksel imalat yöntemlerine karşı rekabetçi bir imalat yöntemi olmaya devam etmektedir. Çalışma kapsamında güvenlik kritik bir fren parçası olan hidrolik tahrikli servis freni kaliperinin yekpare bir biçimde Seçici Lazer Ergitme (SLE) metodu ile imalatı ve bu yönteme uygun şekilde tasarımı araştırılmıştır. Tasarım aşamasında ağırlık azaltma amacıyla topoloji optimizasyonu kullanılmıştır. Bununla birlikte, düşük yüzey pürüzlülüğü gerektiren uygulamalarda, özellikle sızdırmazlık gerektiren durumlarda, eklemeli imalat ile üretilen ürünlerin yüzey finisaj işlemine tabi tutulmadan kullanılması mümkün değildir. Eklemeli imalatın rekabet avantajlarından biri olan, karmaşık parçaların üretilebilmesi, gerekli yüzey pürüzlülüğü değeri için finisaj işlemi uygulanacak yüzeyin ulaşılması zor bir noktada olması durumunda mümkün olamamaktadır. Bu nedenle, fren kaliperinin yekpare olarak imal edilmesi durumunda sızdırmazlık sağlanması amaçlanan conta basma yüzeylerinde gerekli yüzey pürüzlülüğünün sağlanması mümkün değildir. Bu çalışmada, fren kaliperinin tasarımı, mekanik finisaj işlemlerine olanak sağlayacak ve son olarak kaynakla birleştirilecek şekilde, çok parçalı hale getirilmiştir. Kaliper gövdesi ve kaynak dikişinin mukavemet kontrolü Eurocode3 standardına göre ve sonlu elemanlar analiz program olan ANSYS®'de gerçekleştirilmiştir. Yekpare gövde tasarımında kaynak dikişilerinde yüksek güvenlik katsayısı elde edilmiştir. Kaliper imalatı gerçekleştirilmiş ve kavramsal tasarımın uygulanabilirliği ortaya konmuştur.  Ayrıca farklı tedarikçiler ve SLE imalat cihazları ile gerçekleştirilen imalat çalışmalarında karşılaşılan sorunlar için malzeme bilimi inceleme teknikleri ve mekanik testler uygulanmıştır.  Yöntem, bir fren kaliperinin tasarımı için uygulanmış olsa da benzer parçalar için de kullanılabilir. Yüzey pürüzlülük isterleri nedeni ile üretiminde eklemeli imalatın kullanılamadığı parçalar, bu bakış açısı ile yeniden tasarlanabilir.

Abstract:
Metal additive manufacturing is becoming increasingly common and remains a competitive manufacturing method against traditional manufacturing methods. Within the scope of the study, the monolithic manufacture and design suitable for the Selective Laser Melting (SLM) method of the hydraulic actuated service brake caliper, a safety-critical brake part, have been investigated. Topology optimization was used during the design phase for the purpose of reducing weight. However, direct application of produced items is not possible for sealing-required components with low surface roughness requirements. The ability to manufacture complex components, which is one of additive manufacturing's competitive advantages, can cause a problem if a surface to be machined for a required surface roughness is in a location difficult to reach. It is not possible to provide the required surface roughness of the areas intended for sealing if the brake caliper is manufactured as a monolith. In this study, the design of the brake caliper was modified into multiple components to enable mechanical finishing processes and finally to be welded. The strength control of the caliper body and the weld seam was calculated according to the Eurocode3 standard and the analysis was completed in ANSYS®. Positive results have been obtained by providing monolithic body design with high safety. The caliper fabrication has been accomplished, and the applicability of the conceptual design has been demonstrated. In addition, materials science examination techniques and mechanical testing were applied to the issues encountered during the manufacturing studies conducted with various suppliers and SLM manufacturing machines. Even though the method was used to design the caliper, it can also be used for other similar parts. If the parts that were unable to be produced by additive manufacturing due to surface roughness are reevaluated using this method's viewpoint.