Metal eklemeli imalatta gözenekli destek yapıların parça kalitesi ve ayrılma özellikleri üzerine etkisinin araştırılması
Investigation of the effect of porous support structures on part quality and removal properties in metal additive manufacturing
Yazar: HALİL İBRAHİM EROL
Danışman: PROF. DR. METİN UYMAZ SALAMCI ; DR. HAKAN YAVAŞ
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Katmanlı üretim = Additive manufacturing

Özet:
Lazer Toz Yataklı Füzyon eklemeli imalat yöntemi, ince unsurlara sahip karmaşık geometrilerin üretilmesinin önünü açmıştır. Metal malzemelerin kullanımıyla yüksek mukavemete sahip hafif parçaların üretimi, başta havacılık ve uzay sanayii olmak üzere birçok sektörün dikkatini çekmiştir. Ancak, üretim sırasında düzensiz ısı dağılımından kaynaklanan büzülme, eğilme ve bozulma gibi sorunlar ortaya çıkmaktadır. Bu sorunları bertaraf etmek amacıyla genellikle destek yapıları kullanılmaktadır. Bu yapılar, mekanik destek sağlamanın yanı sıra, özellikle askıda bölümlerdeki fazla ısıyı dağıtmak için de hizmet etmektedir. Geleneksel destek yapıların yüksek sökme kuvvetiyle ayrılmaya ihtiyaç duyması ve ince unsurlarda hasar bırakması; temassız ısıl destek yapılarının ise unsur uzunluğu arttıkça etkisiz kalması nedeniyle, bu iki form arasında gözenekli destek yapı yaklaşımına ihtiyaç olduğu görülmüştür. Destek yapı performansını ölçebilmek amacıyla özel tasarlanan kesme-sapma numunesi ile destek yapıların sökmek için gerekli kuvveti, ana parçada meydana gelen sapma miktarını ve temas yüzeyindeki pürüzlülüğünü kriterleri üzerinden karşılaştırılabilmektedir. Çalışmada, en uygun ısıl iletkenlik ve doluluk oranına sahip gözenekli yapılar elde edilmiş ve bu yapılar pin, blok ve öteleme geleneksel destek yapı tipleriyle performansları kıyaslanmıştır. Gözenekli yapılar, Pin tipi, Blok tipi ve Öteleme destek yapılarına göre sırasıyla %96,04, %95,91 ve %82,93 daha düşük sökme kuvvetine; %39,04, %32,06 ve %6,32 daha az geometrik sapmaya ve %43,03, %27,77 ve %37,16 daha düşük ortalama yüzey pürüzlülüğüne sahiptir. Bu sonuçlar, gözenekli yapıların özellikle sökme kuvveti ve yüzey pürüzlülüğü açısından diğer destek yapılarla karşılaştırıldığında önemli avantajlar sunduğunu göstermektedir. Çalışma, destek yapı performanslarını nicelleştirip karşılaştırma imkanı sunarak, ince unsurları en az hasar ile üretilmesini sağlayacak optimize edilmiş gözenekli destek yapı yaklaşımıyla bu alandaki boşluğu kapatmaktadır.

Abstract:
The Laser Powder Bed Fusion additive manufacturing method has paved the way for the production of complex geometries with thin features. The use of metal materials has drawn the attention of various industries, particularly the aerospace and aviation sectors, due to the production of lightweight parts with high strength. However, issues such as shrinkage, warping, and distortion caused by uneven heat distribution during production arise. To mitigate these issues, support structures are commonly used. These structures not only provide mechanical support but also serve to dissipate excess heat, especially in overhanging sections. Traditional support structures require high removal forces and can cause damage to thin features, while contactless thermal support structures become ineffective as the length of the element increases, highlighting the need for a porous support structure approach between these two forms. To measure the performance of support structures, specially designed shear-deviation specimens can compare the force required to remove the support, the amount of deviation in the main part, and the roughness of the contact surface. In this study, porous structures with optimal thermal conductivity and filling ratio were developed, and their performances were compared with traditional pin, block, and offset support structures. Porous structures demonstrated 96.04%, 95.91%, and 82.93% lower removal forces compared to pin, block, and offset support structures, respectively; 39.04%, 32.06%, and 6.32% less geometric deviation; and 43.03%, 27.77%, and 37.16% lower average surface roughness. These results indicate that porous structures offer significant advantages over other support structures, particularly in terms of removal force and surface roughness. The study quantifies and compares the performance of support structures, filling the gap in the field by providing an optimized porous support structure approach that ensures the production of thin features with minimal damage during manufacturing and support removal.