Eklemeli imalat ile üretilmiş kafes yapıların basma davranışının nümerik olarak incelenmesi
Numerical investigation of compression behavior of lattice structures produced by additive manufacturing
Yazar: ÖNCEL DİLBAZ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ EVREN YASA ; DR. ÖĞR. ÜYESİ ÖZGÜR POYRAZ
Eskişehir Osmangazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Konstrüksiyon ve İmalat Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Basma = Printing ; Ergitme = Smelting ; Kafes yapılar = Truss structures ; Mekanik özellikler = Mechanical properties ; Üretim yöntemleri = Production methods

Özet:
Son yılların önemli konularından birisi haline gelmiş olan Eklemeli İmalat, alanında hem ülkemizde hem de dünyada pek çok araştırma çalışması yapılmaktadır. Eklemeli imalat, konvansiyonel talaşlı imalatın aksine, parçaları ince kesitlere/katmanlara ayırmak ve bu katmanları üst üste yığarak üretmek üzerine geliştirilmiş bir metottur ve bu yenilikçi yol sayesinde önemli ölçüde zor tasarımların imal edilebilirliği ile ilgili kısıt ortadan kalkmaktadır. Bunun yanı sıra, eklemeli imalatın getirdiği esneklikle beraber parçaların içleri dolu surette tasarlanmak zorunda olmadığı ortaya çıkmıştır. İmal edilebilirlikle ilgili kısıtların büyük çoğunluğunun ortadan kalkmasıyla, daha az malzemeyle daha performanslı ürünler elde etmenin önü açılmıştır. Havacılık, otomotiv ve biyomedikal gibi farklı sektörlerde ağırlık azaltımı ve diğer avantajlar sayesinde eklemeli imalat kendine yeni uygulama alanları bulmuştur. Eklemeli imalat sayesinde ağırlık azaltımında kullanılan kafes yapıların üretimi daha kolay hale gelmiştir. Bu sayede içi dolu malzemelerden elde edilemeyecek özellikler uygulama isteklerine göre, farklı tipte kafes yapılar kullanılarak ortaya çıkarılmıştır. Bu çalışmada, eklemeli imalatta en yaygın olarak kullanılan hacim merkezli kübik (HMK) ve yüzey merkezli kübik (YMK) tipi kafes yapılar ile elmas tipte kafes yapı tekrarlayan düzende oluşturulmuş ve basma davranışına etki eden tasarım parametreleri nümerik olarak incelenmiştir. Deneysel sonuçlarla doğrulanan bir sonlu elemanlar modeli ile farklı hücre boyutları, kiriş çapları ve plaka kalınlıkları ile analizler yapılmış ve sonuçlar birbiri ile karşılaştırılmıştır.
Elde edilen sonuçlar; aynı hücre tipi ve kiriş çapı kullanıldığı takdirde hücre boyutundaki artışın tepki kuvveti ve deformasyon enerjisini azalttığını göstermiştir. Hücre boyutu değeri arttıkça tepki kuvveti ve deformasyon enerjisi azalmaktadır. Bu durum doluluk oranının azalması veya diğer bir deyişle boşluk oranının artmasına bağlı bir durum olduğu ortaya konmuştur. Buradan yola sıkarak enerji absorbe edilmesinin önemli olduğu uygulamalarda hücre boyutlarının artırılmasının faydalı olacağı sonucu çıkarılmıştır.
Kuvvet tepkisi açısından bakıldığında, aynı hücre tipi için hücre boyutu değişiminin etkisinin en az olduğu hücre tipi en yüksek hücre içi doluluğa sahip yüzey merkezli kübik (YMK) ve en çok olduğu hücre tipi elmas hücre tipidir.
Hücre tipleri arasındaki fark hem tepki kuvveti hem de deformasyon enerjisi açısından ele alındığında ise en yüksek değerler yüzey merkezli kübik (YMK) tipinde ve en düşük değerler hacim merkezli kübik (HMK) tipinde ortaya çıkmaktadır. Yüzey merkezli kübik (YMK) tipinin %51 ile en yüksek doluluk oranına sahip olduğu bu çalışmada beklenen bir bulgu elde edilmiştir. Buna kıyasla %41 doluluk oranına sahip HMK tipinin %39 doluluk oranına sahip elmastan az bir farkla da olsa daha düşük tepki kuvveti ve deformasyon enerjisine neden olması ilgi çekici bir sonuç olarak ortaya çıkmıştır.

Anahtar Kelimeler: AISI 316L, Kafes Yapılar, Basma Davranışı, Eklemeli İmalat, Mekanik Özellikler, Seçici Lazer Ergitme

Abstract:
In the field of Additive Manufacturing, which has become one of the important topics of recent years, many research studies are carried out both in our country and in the world. Additive manufacturing, unlike machining, is a method developed to divide parts into thin sections/layers and produce these layers by stacking them on top of each other, and thanks to this innovative way, the constraint on the manufacturability of significantly difficult designs is eliminated. In addition, it has been revealed that with the flexibility brought by additive manufacturing, the parts do not have to be designed as bulk. With the elimination of most of the constraints related to manufacturability, it is possible to obtain more performance products with less material. Additive manufacturing has found new application areas thanks to weight reduction and other advantages in different sectors such as aviation, automotive and biomedical. The production of lattice structures used in weight reduction has become easier by additive manufacturing. In this way, properties that cannot be obtained from solid materials have been revealed by using different types of lattice structures according to application requirements. In this study, the most commonly used in additive manufacturing, body-centered cubic (BCC) and face-centered cubic (FCC) type lattice structures and diamond type lattice structures were formed in a repetitive order and the design parameters affecting the compression behavior were numerically investigated.
Different cell sizes, strut diameters and plate thicknesses were analyzed with a finite element model confirmed by experimental results, and the results were compared with each other.
Obtained results; showed that if the same cell type and strut diameter is used, the increase in cell size decreases the reaction force and deformation energy. As the cell size increases from 4mm to 10mm, the reaction force and deformation energy decrease. It has been revealed that this situation is due to a decrease in the volumetric intensity ratio. Based on this, it was concluded that increasing the cell size would be beneficial in applications where energy absorption is important. From the point of view of force reaction, the cell type with the least effect of cell size change on the same cell type comparison is face-centered cubic (FCC) with the highest intracellular volumetric ratio, and the cell type with the most is diamond cell type. When the difference between cell types is considered in terms of both reaction force and deformation energy, the highest values appear in the face-centered cubic (FCC) type and the lowest values in the body-centered cubic (BCC) type. An expected finding was obtained in this study, where the face-centered cubic (FCC) type had the highest volumetric intensity ratio of 51%. Compared to this, it is an interesting result that the BCC type with 41% occupancy rate causes lower reaction force and deformation energy, albeit slightly, than the diamond with 39% occupancy rate.

Keywords: AISI 316L, Lattice Structures, Compression Behavior, Additive Manufacturing, Mechanical Properties, Selective Laser Melting