Hava aracı yapısallarına yönelik aluminyum alaşımlı bileşenlerin eklemeli imalat yöntemine uygun tasarımı, optimizasyonu ve analizi
Design, optimization and analysis of al alloy components for aircraft structures in accordance with additive manufacturing method
Yazar: ONUR UĞUR TİP
Danışman: PROF. DR. OLCAY ERSEL CANYURT
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Eklemeli imalat (Eİ); üç boyutlu şekilde hazırlanan bilgisayar destekli tasarımlardan direkt olarak fiziksel modeller elde etmeyi sağlayan imalat teknolojisidir. Eİ teknolojisinin gelişimi, yaratıcı tasarımların en önemli aracı olarak öne çıkan ürün optimizasyonu ve topoloji optimizasyonunun önünü açmıştır. Topoloji optimizasyonu belirli bir yük ve sınır koşulları için tanımlanan tasarım alanında sistem performansını en üst düzeye çıkarmayı amaçlayan bir yapısal optimizasyon metodudur. Topoloji optimizasyonu sonucu ortaya çıkan geometri, Eİ yöntemlerinin uygulanması ile büyük ölçüde tasarıma yansıtılabilmektedir. Havacılık sanayiinde, üretilecek parçaların ağırlıkları çok önemlidir. Topoloji optimizasyonu sonucunda gereksiz olan bölgelerdeki malzemelerin boşaltılması ile optimum ağırlığın sağlanması bu tasarım aracını havacılık endüstrisi için oldukça yararlı kılmaktadır. Bu çalışmada hava aracında kullanılan alüminyum alaşımlı yapısal bir parçanın mevcut yük koşullarını sağlayacak en hafif şekilde yeniden tasarlanması amaçlanmıştır. Parçadaki maksimum hafiflemeyi sağlamak adına, parçaya topoloji optimizasyonun uygulanmasına karar verilmiştir. Topoloji optimizasyonunda kullanılacak parametreleri belirleyebilmek için 15 farklı optimizasyon çalışması yapılmıştır. Bu çalışmalarda sonlu eleman büyüklüğü ile hacim oranı değişiminin model üzerindeki etkileri incelenmiştir ve bunun sonucunda 2 mm eleman büyüklüğü kullanılmasına karar verilmiştir. Ayrıca, kısıt fonksiyonu olarak hacim oranı ve hedef fonksiyonu olarak da komplians minimizasyonu seçilmiştir. Daha sonra, optimizasyonda tasarım alanı değişikliğinin sonuç üzerindeki etkileri incelenmiştir. Daha büyük tasarım alanı kullanıldığında, organik modellerin oluştuğu görülmüştür. Daha büyük tasarım alanı ve 0,1 hacim oranı kullanılarak yapılan optimizasyon çalışması sonucunda, nihai model ortaya çıkmıştır. Bu çalışmada, talaşlı imalat ile Al7050 malzeme kullanılarak üretilen eski tasarımın aksine toz yatağı füzyon proseslerinde yaygın şekilde kullanılan AlSi10Mg toz malzeme seçilmiştir. AlSi10Mg tozu, Al7050 malzemeden daha düşük mukavemet değerlerine sahip olmasına rağmen, optimizasyon sonucu ortaya çıkan modelin emniyet katsayısı 1,2 olarak hesaplanmıştır. Bunun sonucunda, %67'lik bir hafifleme ortaya koyulmuştur.

Abstract:
Additive manufacturing (AM) is a technology that allows for the direct creation of physical models from computer-aided designs in three dimensions. The development of AM technology has paved the way for product optimization and topology optimization, which are key tools for creative design. Topology optimization is a structural optimization method that aims to maximize system performance within a defined design space under specific load and boundary conditions. The geometry resulting from topology optimization can be largely reflected in the design through the application of AM methods. In the aviation industry, the weight of the parts to be produced is very important. The elimination of unnecessary material in areas where it is not needed as a result of topology optimization helps to achieve the optimal weight, making this design tool very useful for the aviation industry. In this study, the aim was to redesign an aluminium alloy structural part used in an aircraft to be as lightweight as possible while still meeting the existing load conditions. In order to maximize the weight reduction of the part, a decision was made to apply topology optimization to the part. To determine the parameters to be used in topology optimization, 15 different optimization studies were carried out. In these studies, the effects of changing the finite element size and volume ratio on the model were examined, and a decision was made to use a 2 mm element size. Additionally, the volume ratio was selected as the constraint function, and the minimization of weighted compliance was selected as the target function. The impact of varying the design space on the outcomes was examined and it was observed that organic shapes were produced when a larger design space was employed. The final design was achieved by utilizing a larger design space and a 0.1-volume ratio during the optimization process. In this study, AlSi10Mg powder, a commonly used material in powder bed fusion processes, was selected as the material of choice, as opposed to the previous design which was produced through machined manufacturing using Al7050 material. Despite its lower strength values compared to Al7050, the factor of safety for the optimized model made from AlSi10Mg powder was calculated to be 1.2, resulting in a weight reduction of 67%.