Ti-6al-4v alaşımının toz beslemeli lazer yönlendirilmiş enerji yığma eklemeli imalat sürecinin sonlu elemanlar yöntemi ile benzetimi
Simulation of powder-feed laser directed energy deposition additive manufacturing process of ti-6al-4v alloy using finite element method
Yazar: MERVE TUNAY TOZLU
Danışman: PROF. DR. CENGİZ BAYKASOĞLU
Hitit Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Katmanlı üretim = Additive manufacturing ; Lazerler = Lasers ; Mekanik modelleme = Mechanical modelling ; Mikroyapı = Microstructure ; Sonlu elemanlar analizi = Finite element analysis ; Titanyum alaşımları = Titanium alloys ; Üretim yöntemleri = Production methods ; Şekil verme yöntemleri = Shaping methods

Özet:
Eklemeli imalat yöntemleri, geleneksel imalat yöntemleri ile karşılaştırıldığında karmaşık parçaların daha kolay üretimine olanak sağlaması, imalat sonrasında daha az atık malzeme oluşturması, ek üretim aşamalarına ve bir kalıba ihtiyaç duyulmaması gibi avantajlar sağlamaktadır. Bu nedenle başta biyomedikal, otomotiv, havacılık, gıda ve mimari gibi birçok endüstride son yıllarda yaygın olarak kullanılmaya başlanmıştır. Kullanılan malzeme ve enerji çeşidine göre birçok türü bulunan eklemeli imalat yöntemlerinden Yönlendirilmiş Enerji Yığma (YEY) metal parçaların imalatında ve tamirinde kullanılan başlıca teknolojilerden biridir. Bu yöntemle farklı formlarda beslenebilen metal hammaddeler yönlendirilmiş bir enerji kaynağı ile belirlenen bir rotada ergitilerek birbirine eklenip, katmanlar oluşturularak metal objeler imal edilmektedir. YEY yönteminin doğası imalat sürecinde malzemeler ergitme ve sonrası hızlı katılaşma çevrimlerinde yüksek mertebeli ve homojen olmayan ısıl yüklemeye maruz kalmakta ve bu ısıl yükler malzemenin mikro yapısını değiştirirken, parçalarda hasara neden olabilecek yüksek mertebelerde kalıntı gerilme ve deformasyonların oluşmasına neden olabilmektedir. Sonlu elemanlar yöntemi temelli makro ölçek modelleme yaklaşımları, YEY süreçlerinde meydana gelen termal, mikroyapısal ve mekanik olayların ve bu olaylara süreç parametrelerinin etkilerinin incelenmesi noktasında paha biçilmez bir alternatif sunmaktadır. Bu motivasyonla hazırlanan bu tez kapsamında, Ti-6Al-4V alaşımından imal edilecek parçaların toz beslemeli lazer YEY (L-YEY) imalat süreçlerinde meydana gelen termal, mikroyapısal ve mekanik davranışların tahmin edilmesine olanak sağlayacak üç boyutlu bağdaşık termal-mikroyapısal-mekanik (TMM) sonlu elemanlar yöntemi temelli süreç benzetim modelleri geliştirilmiştir. Benzetim modelinin geliştirilmesi sürecinde toz beslemeli L-YEY teknolojilerinin başarılı bir ticari örneği olan Lazer Net Şekillendirme (LNŞ) tekniği dikkate alınmıştır.  TMM süreç benzetim modelleri beş katmanlı dikdörtgen çerçeve ve on katmanlı tek duvar şekilli yapılar dikkate alınarak ABAQUS sonlu elemanlar analiz yazılımı kullanılarak tamamen bağdaşık modelleme yaklaşımı ile geliştirilmiştir.  Bahsi geçen referans geometrilerin termal-mekanik sonlu elemanlar modelleme bileşenleri PYTHON programlama diliyle parametrik analizlere olanak verecek şekilde oluşturulmuştur. Öte yandan, lazer ısı kaynağının tanımlanması, mikroyapısal analizlerin yapılması ve mikro yapıdaki değişimlere bağlı malzeme bünye denkleminin tanımlanması için FORTRAN programlama diliyle farklı kullanıcı alt programları yazılmış ve bunlar termal-mekanik model ile entegre edilerek TMM modelleri oluşturulmuştur. Geliştirilen modelin doğrulanması sürecinde dikdörtgen çerçeve geometrisi dikkate alınarak elde edilen sonuçlar deneysel veriler ile kıyaslanmıştır. Sonuçlar geliştirilen TMM benzetim modelinin LNŞ sürecinin TMM analizinde deneysel verilerle oldukça uyumlu sonuçlar üretebildiğini göstermiştir. Referans geometriler dikkate alınarak iki kritik süreç parametresinin (lazer gücü, hızı) mekanik davranışa etkileri parametrik olarak incelenmiştir. Bu tez kapsamında LNŞ süreci dikkate alınarak bazı uygulamaları yapılan üç boyutlu TMM benzetim yaklaşımı, farklı geometrilere, süreç parametrelerine, malzemelere ve imalat tekniklerine göre uyarlanıp, süreç-yapı-özellik ilişkilerinin yüksek doğrulukta tahmin edilmesine katkı sağlayabilir.

Abstract:
Compared to traditional manufacturing methods, additive manufacturing allows the production of complex parts more efficiently, creates less waste, do not require any additional production stages/mold. They have been widely used in many industries such as biomedical, automotive, aerospace, food, and architecture in recent years. Directed Energy Deposition (DED) is one of the leading technologies used to manufacture and repair metal parts. With this method, metal raw materials are melted in a route determined by a directed energy source and added to each other, and metal objects are produced by creating layers. The materials are exposed to high-order and non-homogenous thermal loading in the melting and post-fast solidification cycles. While these thermal loads change the material's microstructure, can cause residual stresses and deformations at high levels that may damage the parts. Macro-scale modelling approaches based on the finite element (FE) method offer an invaluable alternative in examining the thermal, microstructural and mechanical events in DED processes and the effects of process parameters on events. Within the scope of this thesis, three-dimensional fully-coupled thermal-microstructural-mechanical (TMM) FE-based process simulation models will allow the estimation of the thermal, microstructural and mechanical behaviors occurring in the powder-fed laser DED (L-DED) manufacturing processes of the parts to be manufactured from Ti-6Al-4V alloy have been developed. During the development of the simulation model, the Laser Engineering Net Shaping (LENS) process was considered. TMM process simulation models were developed with a fully-coupled modelling approach via ABAQUS FE analysis software, considering structures with a five-layer rectangular frame and a ten-layer single wall. The thermal-mechanical FE modelling components of the reference geometries were created with the PYTHON scripts to allow parametric analysis. Different user subroutines were written in FORTRAN to define the laser heat source, make microstructural analyzes, and define the material structure equation depending on the changes in the microstructure. TMM models were created by integrating them with the thermal-mechanical model. In the validation process the obtained results were compared with the experimental data of rectangular geometry. The results were entirely compatible with the experimental data. In addition, the effects of two critical process parameters (laser power, speed) on mechanical behavior were parametrically investigated, considering both geometries. The three-dimensional TMM simulation approach, some of which were applied in this thesis by taking the LENS process into account, can be adapted to different geometries, process parameters, materials and manufacturing techniques and contribute to the highly accurate estimation of process-structure-property relations.