Bir metal kalıpta farklı geometrilerde soğutma kanallarına sahip kalıp çekirdeğinin nümerik analizi ve dmls yöntemiyle üretilerek deneysel olarak incelenmesi
Experimental investigation and numerical analyses of a metal mold that owned cooling channels with different geometries and manufactured by dmls
Yazar: KARANİ KURTULUŞ
Danışman: PROF. DR. ALİ BOLATTÜRK
Süleyman Demirel Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Ana Bilim Dalı / Termodinamik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Döküm endüstrisi = Casting industry ; Döküm kalıpları = Casting molds ; Döküm yöntemleri = Casting methods ; Sayısal akışkanlar dinamiği = Computational fluids dynamic ; İleri imalat teknolojisi =

Özet:
Kokil döküm, erimiş metalin kalıcı bir kalıba dökülerek kalıp boşluğunu doldurma işlemidir. Kokil dökümde soğutma, üretilen döküm ürünlerinin birim maliyetini ve içyapı kalitesini doğrudan etkilemektedir. Soğutmanın konformal olmadığı durumlarda ürünlerde sıcak nokta kusurları, çarpılmalar gibi kalıplama kusurları meydana gelmektedir. Konformal kalıp soğutması, soğutma kanalı tasarımına bağlıdır. Geleneksel üretim yöntemleri ile kokil kalıplarda soğutma kanalları lineer olarak ve genellikle dairesel profilde üretilebilmektedir. Son yıllarda ilerleme kaydeden eklemeli imalat yöntemiyle ise değişik geometrilerde konformal soğutma kanallarına sahip metal kokil kalıpların üretimi mümkündür. 

Bu tez çalışmasında, standart ve konformal soğutmalı kokil döküm kalıplarında soğutma kanallarının, döküm aşamaları ve ürün üzerindeki etkileri incelenmiştir. İncelemeler, nümerik analiz ve deneysel yöntemler ile yapılmıştır. Bunun için standart soğutma kanallı kalıp ve konformal soğutma kanalı tasarımı içeren kalıp üretimi yapılmıştır. Standart soğutma kanallı kalıp geleneksel imalat yöntemleriyle, konformal soğutma kanallı kalıp ise eklemeli imalat yöntemiyle üretilmiştir. Kalıpların soğutma performanslarının deneysel olarak incelenebilmesi için kontrolü düzenli bir kokil kalıp döküm deney düzeneği tasarlanmış ve üretilmiştir. Deney düzeneği ile döküm deneyleri yürütülmüştür. Daha sonra nümerik analiz sonuçları ile deney verileri karşılaştırılarak doğrulama yapılmıştır. Kalıp soğutma kanallarında meydana gelen basınç kayıpları, kalıpların rejim sıcaklığına ulaşma ve kalıp açma kapama süreleri ile katılaşma hızlarıyla ilgili veriler elde edilmiştir. Ayrıca, döküm ürünlerinin optik mikroskop görüntüleri analiz edilerek metalografik inceleme de yapılmıştır. Bu kapsamda standart ve konformal soğutma kanallı kalıplar ile dökülen parçalarda tane sınır alanı ve ortalama tane boyutu karşılaştırılması yapılmıştır.

Standart ve konformal soğutma kanallarındaki basınç kayıpları sırasıyla 5250 Pa ve 12100 Pa olarak ölçülmüştür. Öte yandan konformal soğutma kanallı kalıpta daha homojen kalıp yüzey sıcaklık dağılımı tespit edilmiştir. Ayrıca konformal soğutma kanallı kalıpta standart soğutma kanallı kalıba göre % 28 daha kısa çevrim süresi söz konusudur. Bu durum hızlı soğumanın bir göstergesidir. Hızlı soğumanın etkileri metalografik bulgularda da ortaya çıkartılmıştır. Konformal soğutma kanallı kalıpla dökülen parçalardaki ortalama tane boyutunun standart soğutma kanallı kalıpla dökülen parçalara göre % 13.5 daha küçük olduğu gözlemlenmiştir. Böylece, konformal soğutma kanallı kalıpla dökülen parçaların mekanik özelliklerinin daha iyi olduğu ortaya konmuştur.

Abstract:
Permanent casting is the process of filling the mold cavity by pouring molten metal into a permanent mold. In gravity die casting, cooling directly affects the unit cost and internal structure quality of the casting products. Molding defects such as hot spot defects and distortions may occur in non-conformal cooling. Conformal cooling depends on the cooling channel design. With conventional manufacturing process, cooling channel in permanent molds can be produced linear holes. It is possible to produce metal molds with conformal cooling channels in different geometries with the additive manufacturing method, which has made progress in recent years.

In this thesis, the effects of the cooling channels on the casting stages and the product were investigated. The examinations were made by numerical analysis and experimental methods. For this purpose, standard and conformal cooling channel molds were designed and manufactured.  Two processes to fabricate casting mold, conventional manufacturing and additive manufacturing, were applied. An experimental setup was designed and manufactured in order to examine the cooling performances of the molds experimentally. Casting experiments were carried out with this experimental setup. Then, numerical analysis and experiment results were compared to verify. Pressure drops in cooling channels, reaching time of the regime temperature of the metal molds and cycle times were obtained. In addition, metallographic examination was performed by analyzing the optical microscope images of casting products. Grain boundary area and grain size were compared in the casting products.

Pressure drops in standard and conformal cooling channels were measured as 5250 Pa and 12100 Pa, respectively. On the other hand, more homogeneous mold surface temperature distribution was observed in the mold with conformal cooling channel. In addition, 28 % shorter cycle time was achieved. The effects of rapid cooling were also revealed in metallographic examination. It was observed that the average grain size of the molded parts with conformal cooling channel is 13.5 % lesser than the standard cooling channel mold. Thus, it has been demonstrated that the molded parts with conformal cooling channel have better mechanical properties.