Development of an open-architecture process control system for the direct metal laser sintering (DMLS) /
Yazar: SYED SHAHİD MUSTAFA
Danışman: PROF. DR. İSMAİL LAZOĞLU
Koç Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyomedikal Bilimler ve Mühendislik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering

Özet:
Do˘grudan metal lazer sinterleme (DMLS) i¸slemi kullanılarak metal par¸caların katmanlı imalatı, geometrik olarak karma¸sik modelleri imal etmek i¸cin toz malzemenin katman bazında eritilmesini kullanır. Burada, y¨uksek g¨u¸cl¨u bir lazer ı¸sını, metal toz katmanındaki tarama vekt¨orleri boyunca hareket ettirilir ve bu, biti¸sik malzeme ile birle¸sen bir eriyik havuzunun olu¸sturulmasıyla sonu¸clanır. Tipik olarak, DMLS makineleri pahalıdır ancak hassas metal par¸calar ¨uretmek i¸cin eklemeli ¨uretim se¸cenekleri. Di˘ger avantajlar daha az malzeme israfı, iyile¸stirilmi¸s ¨ur¨un geli¸stirme d¨ong¨us¨u, hızlı prototipleme, ¨ozelle¸stirmeler ve i¸slevsel olarak derecelendirilmi¸s metalin k¨u¸c¨uk parti boyutlu ¨uretimi par¸calar. Bu ¨ozellikler, havacılık i¸cin uygun bir
se¸cim olan DMLS s¨urecini, ¨ozelle¸stirme gerektiren otomotiv, di¸s, alet ve tıp end¨ustrileri d¨u¸s¨uk toplu ¨uretim. Orne˘gin, ortopedik implantların imalatı DMLS, gerekli ¨ozelle¸stirmeyi ¨ sunar ve her iki hastaya da fayda sa˘glayan ¨ozelliklere izin verir ve cerrahlar. Bununla birlikte, bu hassas metal katkılı imalatın avantajları teknolojinin hala k¨u¸c¨uk ve orta ¨ol¸cekli end¨ustrilerde ¸co˘galması gerekmektedir. y¨uksek maliyeti, par¸ca kalitesi sorunları ve bireysel yapılar arasında d¨u¸s¨uk tutarlılık. Metalik ¨ur¨unler ¨uretmeye y¨onelik DMLS se¸cene˘ginin, genel s¨ure¸c zinciri boyunca yayılan teknik zorluklarla birlikte geldi˘gi belirtilmektedir. Aslında, metal tozlarının imalatı sırasında ve s¨uper ala¸sımlar, 50'den fazla i¸slem parametresi vardır son b¨ol¨um¨un kalitesini etkilemek i¸cin etkile¸simde bulunan. Burada birincil odak noktası, par¸calı eritme sırasında metalik tozların karma¸sık termal davranı¸sı, her bir katmandaki sınır ko¸sullarına ba˘glı olarak i¸slem parametrelerinin dikkatli bir ¸sekilde se¸cilmesini gerektirir. Bu nedenle, DMLS tabanlı eklemeli ¨uretim teknolojisi, kapsamlı par¸ca kalitesini etkileyen bu s¨ure¸c parametrelerini tasarlamak i¸cin ara¸stırma yapın ve tekrarlanabilirlik. Aynı zamanda, ara¸stırma odaklı deneyler yapmak i¸cin a¸cık eri¸simli
makine platformu ve yazılım deste˘gi mevcut de˘gildir. Bu nedenle, metal tozunun erimesini ke¸sfetmenin zorlu˘gu, b¨uy¨uk ¨ol¸c¨ude esas olarak end¨ustriyel kullanım i¸cin satılan ticari sistemler. Bu sistemler sadece pahalı olmakla kalmaz, aynı zamanda temel operasyonlara ¸cok sınırlı eri¸sim sunar ve donanımları, dolayısıyla kullanıcı i¸cin bir kara kutu gibi g¨or¨unmektedir. Bu zorlu˘gun ¨ustesinden gelmek i¸cin, kullanıcıyla birlikte b¨uy¨uyebilen a¸cık eri¸simli bir ara¸stırma platformu sistemi kabul edilir i¸se yarar. Bu ara¸stırmada, MarcSLM adlı a¸cık kontrol mimarili bir DMLS sistemi geli¸stirilmi¸stir. ˙I¸s, MarcSLM makine mekanizmasının geli¸stirilmesini i¸cerir, sistem kontrol yazılımı ve olu¸sturulmu¸s s¨ure¸c planlama yazılımı. Bu sistem metroloji sens¨orleri i¸cin mod¨uler eri¸sim ve aray¨uz sa˘glamak ¨uzere tasarlanmı¸stır. altta yatan eritme s¨urecini yakalamada faydalıdır. Bu ama¸cla, ilk olarak, metalik katmanlı ¨uretim dijital ipli˘gi i¸cin
bir ¸cer¸ceve ¨onerilmi¸stir. Bu i¸slem zincirinin ayrı mod¨uller dizisi olarak g¨or¨unmesini sa˘glayarak derleme i¸slemcisi ve sistem kontrol yazılımının yazılım uygulaması. Mod¨uller, imalat tarafından sıkı testlerin yapıldı˘gı bir ¸calı¸san makineye entegre edilir numune modelleri ba¸sarıyla y¨ur¨ut¨ulm¨u¸st¨ur. Daha da geli¸stirmek i¸cin yerle¸sik i¸slemci yazılımının i¸slevselli˘gi, manip¨ulasyon h¨ukm¨u dikme tabanlı kafes yapıları da dahildir. Bu h¨ucresel manifoldlar ¸cok maksimum avantaj elde etmeyi sa˘glayan katmanlı imalat
tasarımında kullanı¸slıdır DMLS teknolojisinin. Geli¸stirilen model kompakt bir veri kullanır kafesleri i¸slemek i¸cin yapı ve azaltılmı¸s hesaplamayla verimli do˘grudan dilimleme sunar makine bilgisayarında uygulanabilmesi i¸cin maliyet. Ayrıca, bu ¸calı¸smanın bir par¸cası olarak kafeslerin tasarlanması i¸cin yapısal topoloji optimizasyonuna dayalı yeni bir y¨ontem ¨onerilmi¸stir. T¨um derleme verileri ¨ozelle¸stirilmi¸s bir
makine i¸slemlerini sorunsuz bir ¸sekilde t¨uretmek i¸cin tasarlanmı¸s makine kodu.

Abstract:
Abstract: Additive manufacturing of metal parts using the direct metal laser sintering (DMLS) process employs layer-wise melting of powder material to fabricate geometrically complex models. Here, a high-power laser beam is moved along scan vectors in the metal powder layer, resulting in the creation of a melt pool that fuses with
the adjoining material. Typically, the DMLS machines are expensive but offer precise additive manufacturing options to produce metal parts. The other advantages are reduced material wastage, improved product development cycle, rapid prototyping, customizations, and the small batch size production of functionally graded metal
parts. These features make the DMLS process, a viable choice for the aerospace, automotive, dental, tooling, and medical industries which need customization with low batch manufacturing. For example, the fabrication of orthopedic implants using DMLS offers required customization and allows features that benefit both patients
and surgeons. However, the advantages of this precise metal additive manufacturing technology are still required to proliferate in small and medium industries owing to its high cost, part quality issues, and low consistency among individual builds. It is noted that the DMLS option to manufacture metallic products comes with
technical challenges, spreading along the overall process chain. In fact, during the fabrication of metal powders and superalloys, there are over 50 process parameters that interact to affect the quality of the final part. Here, the primary focus is the complex thermal behavior of metallic powders during piecewise melting, which needs
careful selection of process parameters based on boundary conditions in each layer. Therefore, the DMLS based additive manufacturing technology requires extensive research to design these process parameters which affect the part quality and build repeatability. At the same time, no open-access machine platform and software
support are available for conducting research-oriented experimentation. For this reason, the challenge of exploring the melting of metal powder relies heavily on the commercial systems, which are primarily sold for industrial use. These systems are not only expensive but also offer very limited access to underlying operations and their hardware, hence appear to be a black box for the user. To meet this challenge, an open-access research platform system that can grow with the user is deemed useful. In this research, an open-control-architecture DMLS system named MarcSLM is developed. The work includes the development of the MarcSLM machine mechanism, its system control software, and built process planning software. This system is designed to provide modular access and interface for the metrology sensors which are useful in capturing the underlying melting process. For this purpose, first, a framework for metallic additive manufacturing digital thread is proposed. This makes the process chain appear as a cascade of discrete modules thus helping in the software implementation of build processor and system control software. The modules are integrated into a working machine upon which rigorous testing by manufacturing specimen models had been successfully conducted. To further enhance the functionality of the built processor software, the provision for the manipulation of strut-based lattice structures is also included. These cellular manifolds are very useful in the design for additive manufacturing that enables to take maximum advantage of the DMLS technology. The developed model employs a compact data structure for processing lattices and offers efficient direct slicing at reduced computational cost so that it can be implemented within the machine computer. Besides, a novel method based on structural topology optimization for designing the lattices is proposed as a part of this work. All the build data is packaged into a customized machine code, which is designed to derive the machine processes seamlessly.