Bağlayıcı püskürtme tekniğinde adaptif dilimleme yöntemi ve uygulama teknolojisi
Adaptive slicing method and application technology in binder jetting technique
Yazar: HASAN BAŞ
Danışman: PROF. DR. FATİH YAPICI
Ondokuz Mayıs Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Hesaplamalı Bilimler Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Eklemeli imalatın, klasik yöntemlerle üretilmesi mümkün olmayan karmaşık parçaları üretebilmesi, daha az malzeme kullanılması, yerinde üretim olanağıyla tedarik zincirini rahatlatması, her türlü malzeme ile üretim yapabilmesi ve daha hafif parça üretebilme gibi birçok avantajından dolayı çoğu endüstri kolunda kullanımı ciddi anlamda artmaktadır. Eklemeli imalat yöntemlerinden olan ve bu tez kapsamında araştırılan bağlayıcı püskürtme tekniğinin ise birçok ekonomik rapora göre önümüzdeki on yıl içerisinde en çok büyüyecek eklemeli imalat yöntemi olacağı öngörülmektedir. Eklemeli imalat yöntemlerinin birçok avantajı bulunmasına rağmen üretim hızı bakımından klasik imalat yöntemlerine göre yavaş kalabilmektedir. Bunun için bu çalışmada bağlayıcı püskürtme yönteminde imalat hızının arttırılması amaçlanmıştır.
İmalat hızının arttırılması için bağlayıcı püskürtmede adaptif dilimlemenin kullanılması önerilmiştir. Adaptif dilimlemenin bağlayıcı püskürtme tekniğinde verimli bir şekilde kullanılabilmesi için değişken bağlayıcı miktarı algoritması (DBMA) geliştirilmiştir. Yapılan ön çalışmalarda DBMA, tecrübeye ve literatüre dayanan parametre verileri ile denenmiş olup başarılı sonuçlar elde edilmiştir. Ancak DBMA'da özellikle katman kalınlığının ve doygunluk oranın optimize edilmesi gerekmektedir. Bunun için Taguchi yöntemi kullanılarak, adaptif dilimlemede katman kalınlığı ve doygunluk oranı optimizasyonu yapılmıştır. Taguchi deney tasarımına göre 9 farklı koşulda, 3'er tekerrür olmak üzere toplam 27 adet numune üretilmiştir. Numunelerin ham hallerinin en boyutunun ölçüsüne bakılmıştır. Sonrasında numuneler 1500°C'de 2 saat sinterlenmiştir. Sinterleme sonrası yüzey pürüzlülük ve yoğunluk testleri yapılmıştır. Bu testlerin sonucunda optimum baskı koşulu olarak katman kalınlığı için 180-250 µm, doygunluk için ise %50 değerine karar verilmiştir. Sonrasında adaptif dilimlemeyi uygulamak için ayrı bir test numunesi tasarlanmıştır. Bu test numunesi belirlenen parametreler ile adaptif (180 µm-250 µm), ince katman (180 µm) ve kalın katman (250 µm) olmak üzere 3 adet üretilmiştir. Adaptif dilimlenmiş numune ile ince katmanlı numunenin pürüzlülük değerleri birbiri ile benzer olup kalın katmanlı numuneden daha iyi çıkmıştır. Adaptif numunede ince katmanlı numuneye göre %12,31 daha az katman kullanılarak benzer sonuç elde edilmiştir. Dolayısıyla kullanılan yöntemlerin başarılı olduğu ıspatlanmıştır. Ayrıca yüzey pürüzlülük ölçümlerini daha kolay ve ekonomik yapmak adına görüntü işleme ile ölçüm olanakları araştırılmıştır. Görüntü işleme verileri ile pürüzlülük ölçüm cihazıyla alınan veriler birbirleri ile uyumlu çıkmıştır.

Abstract:
It is one of the most important features of additive manufacturing that it can produce complex parts that cannot be produced by conventional methods and that it lightens parts by methods such as topology optimization. In addition, its use in the industry is increasing, thanks to its ability to relax the supply chain with on-site production and its ability to produce with all kinds of materials. According to many economic reports, the binder jetting technique, one of the additive manufacturing methods investigated within this thesis's scope, is predicted to be the fastest-growing additive manufacturing method in the next decade. Although additive manufacturing methods have many advantages, they can be slower in production speed compared to traditional manufacturing methods. Therefore, this study aims to increase the manufacturing speed of the binder jetting method.
Adaptive slicing in binder jetting has been proposed to increase manufacturing speed. The variable binder amount algorithm (VBAA) has been developed to use adaptive slicing efficiently in binder jetting. VBAA was tested with parameter data based on experience and literature in preliminary studies, and successful results were obtained. However, optimization of layer thickness and saturation ratio is required in VBAA. For this purpose, layer thickness and saturation ratio optimization in adaptive slicing have been performed using the Taguchi method. According to the Taguchi experimental design, 27 samples were produced with 9 different designs, each with 3 copies. The dimensions of the raw samples were measured, and then the samples were sintered at 1500°C for 2 hours. After sintering, surface roughness, and density tests were performed. Based on the results of these tests, a layer thickness of 180-250 µm and a saturation ratio of 50% was determined. Then, a separate test sample was designed to apply adaptive slicing. This test sample was produced in 3 different types, which are adaptive (180 µm-250 µm), thin layer (180 µm), and thick layer (250 µm) with the determined parameters. The roughness values of the adaptive and thin-layered samples were similar and better than the thick-layered samples. Similar roughness was obtained by using 12.31% fewer layers in the adaptive sample compared to the thin-layered sample. Therefore, the methods used have been proven to be successful. In addition, image processing was investigated for easy and inexpensive surface roughness measurements. Consistent results were obtained with image processing for the data obtained from the roughness measurement device.