Eklemeli imalat yöntemlerinde üretim parametrelerinin ve parça geometrisinin son ürün özellikleri üzerindeki etkilerinin incelenmesi
Investigation of the effects of production parameters and part geometry on the final product properties in additive manufacturing methods
Yazar: AYSU HANDE YÜCEL
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA BAKKAL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme ve İmalat Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Eklemeli imalat, yeni bir üretim teknolojisi olarak hala geliştirilen bir yöntemdir. Bu üretim yönteminin kendine özgü üstünlükleri ve kısıtlamaları bulunmaktadır. Üretim sonrasında karşılaşılan geometrik sapmalar, yüzey pürüzlülüğü, porozite gibi parametreler yöntemin en önemli dezavantajlardan biridir. Bir ürünün imalatı için birçok parametrenin nihai ürün üzerindeki etkilerinin incelenmesi önemlidir. Bu tezde direkt metal lazer sinterleme (DMLS) ve eriyik yığmayla modelleme (FDM) metotlarındaki üretim parametrelerinin etkileri araştırılarak, farklı geometriler için şekillendirilebilirlik optimizasyonu yapılması amaçlanmıştır.
Tezin giriş bölümünde çalışma konusu, eklemeli imalatın tarihi, üretim prensibi, avantaj ve dezavantajları ile kullanılan hammaddeler hakkında bilgilere yer verilmiştir. Ardından kullanılan yöntemlerin üretim parametreleri paylaşılmıştır. Deneysel olarak iki yöntemle de üretilen numunelerin boyutsal doğruluk analizi, yüzey pürüzlülük ölçümü ve mekanik karakterizasyonu yapılırken, metal numunelerin porozitesi bulunmuş, numunelerin yüzey morfolojileri ve mikro yapısı incelenmiştir. Bulunan sonuçlar değişen üretim parametrelerine ve yöntemlere göre incelenmiştir.
DMLS metodunda CL 20ES ticari isimli AISI 316L sınıfı östenitik paslanmaz çelik toz kullanılmıştır. Katman yüksekliği aynı kalacak şekilde, 88,9 J/mm3 ve 17,8 J/mm3 enerji yoğunluğuyla üretim yapılmıştır. FDM yönteminde oniks ticari isimli filament kullanılmıştır. Numuneler 0,100 mm, 0,125 mm ve 0,200 mm olmak üzere farklı katman kalınlığıyla üretilmiştir.
Eklemeli imalatla üretilen numunelerde, üretim yöntemlerine ve parametrelerine bağlı olarak geometrik sapmalar görülür. Buradan yola çıkarak, DMLS ve FDM yöntemleriyle, farklı parametrelerde üretilen numunelerin geometrik sapma miktarları araştırılmıştır. Numune yüzeyleri doğrultu yönlerine ve eğiklik tiplerine göre ayrılmıştır. Düzlemsel sapmalar XY, YZ ve ZX düzlemlerinde, açısal sapmalar ise eğik düzlemlerde incelenirken, dairesel sapmalar radyal yüzeylerde ortaya konulmuştur.
DMLS ve FDM yöntemleri ile üretilen tabla üzerindeki numunelerin boyutları koordinat ölçüm makinesi (CMM) ile tabladan ayrılmadan taranmış ve geometrilerin nominal boyutları ile karşılaştırılmıştır. Seçilen numuneler linear, açısal ve radyal olmak üzere üç başlıkta incelenmiştir. Koordinat ölçümleri tabla üzerinde yapıldıktan sonra diğer testler/analizler için metal numuneler tel erezyonla, kompozit numuneler ise tel testereyle kesilerek bulundukları tabladan ayrılmıştır. DMLS ve FDM yöntemleriyle üretilen yarı küre ve kemik geometrilerinin yüzey pürüzlülükleri üç boyutlu optik profilometreyle ölçülmüştür. Ayrıca metal kibrit kutusu geometrilerinin yüzey pürüzlülükleri ve yüzey morfolojisi SEM ile incelenmiştir. Metal üçgen prizma mikro-bilgisayarlı tomografi (mikro-BT) ile analiz edilmiş, numune yapısındaki porozite bulunmuştur.
Lineer sapma miktarları, farklı boyutlardaki kibrit kutuları ve üçgen prizmalar araştırılmıştır. Değişen kalınlık, yükseklik ve genişliğin XY, YZ ve ZX düzlemlerindeki lineer sapma miktarı üzerindeki etkisi incelenmiştir. Üçgen prizmalarda ise açılar karşısındaki düzlemlerin bileşke sapmalar dikkate alınarak, açının lineer sapma üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Dik yönde üretimden kaynaklanan sapmaların incelendiği farklı alanlara sahip 15°-75°-90°, 30°-60°-90° ve 45°-45°-90° açılı prizmatik üçgen dilimli numunelerin açısal sapmaları incelenmiştir. Üçgenin en küçük iç açısı (α) ile diğer iki açının toplamı (β+ θ) arasındaki oran (R) ve üçgen kesitin düzlüğü de dikkate alınmıştır. Üçgen bir kesitte, minimum kalınlık, en uzun kenara dik olan yüksekliğe karşılık gelir. Üçgen kesitler, kalın (hc/A ≈ 1,0 ve 1,4) ve ince (hc/A ≈ 0,5) olarak ayrılmıştır. Radyal sapma, silindirik (tüp ve boru), yarı küre, kemik ve cumbalı geometrilerde incelenmiştir. Ayrıca bu geometrilerdeki çap tipi (içbükey ve dışbükey) göz önünde bulundurularak kıyaslama yapılmıştır. İçi boşluklu silindirlerin iç çapları ile kemik formundaki geometriler konkav, tüm silindir geometrilerin dış çapları ile yarı küre şeklindeki numunelerin konveks çapa sahip olarak düşünülmüştür.
FDM yöntemiyle üretilen kibrit kutularının XY düzleminde kalınlık (X doğrultusu), genişlik (Y doğrultusu), ve yüksekliğe (Z doğrultusu) bağlı belirgin bir etkisi olmadığı görülmüştür. YZ düzleminde de kalınlık ve yüksekliğin sapma miktarları üzerinde düzenli bir etkisi bulunamamıştır ancak her üç katman kalınlığı için genişlikteki artış ile lineer sapma azalmaktadır. Kalınlıktaki artışın YZ düzlemindeki rijitliği artırarak sapma miktarını azaltıcı rol oynadığı düşünülmüştür. ZX düzleminde, genişlik ve yüksekliğin boyutsal sapma üzerinde etkisi görülmemiştir. DMLS yöntemiyle 17,8 J/mm3 enerji yoğunluğuyla üretilen kibrit kutularında, XY düzleminde artan genişlikle düzlemsel bileşke sapma azalırken, yüksekliğin artmasıyla sapma miktarı da artmıştır. YZ düzleminde 88,9 J/mm3 enerji yoğunluğuyla üretilen numunelerde değişen kalınlık ve yükseklik etkisinin sapma miktarına bir etkisi olmadığı görülürken, genişliğin artmasıyla sapma miktarında belirgin bir düşüş gözlemlenmiştir. ZX düzleminde 88,9 J/mm3 enerji yoğunluğuyla üretilen numunelerde, artan kalınlık, genişlik ve yükseklik ile sapma miktarlarında önemli bir değişiklik olmazken, düşük enerji yoğunluğuyla üretilen numuneler için artan kalınlık ve yükseklik ile sapma miktarlarında belirgin bir artış görülmüştür. FDM ile üretilen 15˚-75˚-90˚ (R=0,09), 45˚-45˚-90˚ (R=0,33) ve 30˚-60˚-90˚ (R=0,20) açılı üçgensel kesitler incelendiğinde, açısal oran arttıkça açısal sapma miktarının arttığı görülmektedir. Yapılan analizlere göre kesit kalınlığı arttıkça ortalama açısal sapma azalmaktadır. Kalınlık oranına göre ortalama açısal sapmadaki değişim, düşük katman kalınlığı ile üretilen geometrilerde daha belirgin olmaktadır. Metal numunelerden, R=0,33 orana sahip üçgen kesitteki açısal sapma incelendiğinde açısal sapma artan tarama hızı ile azalırken, R=0,20 açısal orana sahip kesitte açısal sapmanın arttığı görülmüştür. Kalınlık oranına göre ortalama açısal sapmadaki değişim, düşük tarama hızı ile üretilen geometrilerde daha keskin olmaktadır. Kompozit numunelerde düşük katman kalınlıklarına (0,100 mm ve 0,125 mm) göre yüksek katman kalınlığındaki (0,200 mm) tüp geometrilerde cidar kalınlığıyla değişen sapmadaki artışa etkisinin daha belirgin olduğu görülmüştür. Metal ve kompozit tüp geometrisinde gözlenen merkezcil sapmalar, boru geometrisindekinden daha fazladır. FDM yönteminde katman kalınlığının artması, DMLS yönteminde ise enerji yoğunluğunun azalması, tüm silindirik numunelerin iç ve dış çaplarındaki ortalama sapma miktarlarında artış olmuştur. Yarı küre ve kemik numunelerinde katman üretilen cumbalı geometride dört adet, farklı eksenli ve boyutlu radiyuslar incelendiğinde katman kalınlığına ve yöne bağlı bir düzen olmadığı saptanmıştır. Öte yandan, yüksek enerji yoğunluğuyla üretilen cumbalı geometride radyal sapma tolerans içindeyken, düşük enerji yoğunluğuyla inşa edilen geometride belirlenen maksimum değerden daha büyük bir çap ile üretim yapılmıştır. Ek olarak içbükey gövdelerdeki radyal sapmanın, dışbükey gövdelerdekine kıyasla metal ve kompozit numuneler için daha fazla olduğu ve sapmanın üretim parametrelerindense çap tiplerinden etkilendiği tespit edilmiştir. DMLS ve FDM yöntemleri ile üretilen numunelerin sapma miktarları geometrik şekillerine göre iki yöntem için de incelenmiştir. Sapma miktarını kolayca karşılaştırabilmek için, aynı tipteki boyutlar maksimum değere göre normalize edilmiştir. Boyutların artmasıyla lineer sapmanın azaldığı gözlemlenmiştir. Metal numunelerde karşılaşılan doğrusal sapmalar, kompozit numunelere göre daha yüksektir. Sapma miktarında kalınlık değişimi daha önemli rol oynamıştır. Ayrıca kibrit kutularındaki lineer sapmalar, değişen katman kalınlığına ve enerji yoğunluğuna göre incelenmiştir. Dikey yüzeylerdeki sapma üretim parametrelerinde etkilenmemiştir. Metal numunede, yatay yüzeylerdeki sapma enerji yoğunluğunun düşmesiyle artmaktadır. Üçgen prizma ve kibrit kutusu geometrilerinin üretim tablası üzerindeki konumları açısal olarak atanarak, pozisyonlarının lineer sapma miktarları üzerindeki etkisi incelenmiştir. Sapma değerleri 0, 90, 180, 270 derece açılarda minimumdur.
Kompozit ve metal kemik ve yarı küre geometrilerinin yüzey pürüzlülüğü (Ra, Rsk, Rku) ölçülmüştür. Kompozit numunelerde artan katman kalınlığıyla yüzey kalitesi düşmektedir. Metal numunelerde azalan enerji yoğunluğunun yüzey pürüzlülüğünü ve poroziteyi arttığı tespit edilmiştir. Genel olarak artan enerji yoğunluğuyla yüzey pürüzlülüğünün ve gözenekliliğin azalacağı bilinse de enerji yoğunluğu lineer olarak değişmediğinden üretim parametrelerini optimize etmek ve standartlaştırmak için literatüre katkı sağlayacak daha fazla çalışmanın yapılması gerekmektedir.

Abstract:
Additive manufacturing is a fabrication method that is still being developed as a new production technology. It has some typical advantages and limitations. Parameters such as geometrical deviations, surface roughness, porosity encountered after production are some of the most important disadvantages of the method. It is important to examine the effects of many parameters on the final product for the manufacture of a product. In this thesis, it is aimed to optimize the designing parameters for different geometries by investigating the effects of production parameters in direct metal laser sintering (DMLS) and fused deposition modeling (FDM) methods. Also, the results obtained are important in terms of predicting the problems that may arise during the use of additive manufacturing in mass production and making designs to prevent the problems before they occur. It is expected that this study will both contribute to scientific knowledge and create information that can be used in many industrial areas.
In the introduction, information about the study subject, history of additive manufacturing, production principle, advantages and disadvantages, and raw materials used are given. Then, the production parameters of the methods used were defined. Experimental dimensional deviation analysis, surface roughness measurement and mechanical test for both methods, porosity determination, surface roughness and microstructure analysis were performed for DMLS method.
In DMLS method, AISI 316L austenitic stainless-steel powder with CL 20ES commercial name was used as raw material. The specimens were produced with different energy densities of 88.9 J/mm3 and 17.8 J/mm3, keeping the layer height the same. In FDM method, the same geometries were manufactured in different layer thicknesses of 0.100 mm, 0.125 mm and 0.200 mm. The filament with the trade name Onix, which is a composite reinforced with chopped carbon (in suspension) fiber with Nylon 66 matrix, was used as the filament.
Geometric deviations are observed in samples produced by additive manufacturing, depending on the production methods and parameters. Therefore, the geometrical deviation amounts of samples produced in different parameters were investigated by DMLS and FDM methods. The sample surfaces are separated according to their orientation and curvature types. Planar deviations in the XY, YZ and ZX planes are investigated. Angular deviations in inclined planes were studied. Circular deviations were revealed on radial surfaces.
The dimensions of the samples on the table produced by DMLS and FDM methods were measure with the coordinate measuring machine (CMM) without leaving the table and compared with the nominal dimensions of the geometries. Then, the results were analyzed using Geomagic Control X software. The selected samples were examined in three headings: linear, angular and radial. During the analysis, tolerance values were accepted as ± 0.05 mm for linear and radial deviations and ± 5 degrees for angular deviations. After coordinate measurements, metal samples are cut by wire erosion and composite samples are cut by wire saw and separated from the table where they are located to perform other tests/analyses. The surface roughness of the hemispherical and bone geometries produced by DMLS and FDM methods was measured with a three-dimensional optical profilometer. In addition, surface roughness and surface morphology of metal matchbox geometries were studied with SEM. Triangular cross-section prisms produced by DMLS analyzed by micro-computed tomography (μ-CT), and the results were analyzed by myVgl software to attain porosity in the sample structure.
Linear deviation was investigated for the matchboxes and triangular prisms. The effect of varying thickness, height and width on the linear deviation of matchbox geometries was studied in XY, YZ and ZX planes. In triangular prisms, the effect of the angle on linear deviation was investigated by considering the joint deviations of the planes opposite the interior angles. The ratio (R) between the smallest internal angle of the triangle (α) and the sum of the other two angles (β+ θ) and the flatness of the triangular section was also considered. In a triangular section, the minimum thickness corresponds to the height perpendicular to the longest edge. The triangular sections are divided into thick (hc/A ≈ 1.0 and 1.4) and thin (hc/A ≈ 0.5). Radial deviation has been studied in cylindrical (tube and tube), hemispherical, dogbone and protruding geometries. In addition, according to the diameter type (concave and convex) of the geometries, radial deviations were determined. The inner diameters of hollow cylinders and dogbone geometries were considered as concave, and the outer diameters of all cylinder geometries and hemispherical samples were accepted as convex.
In FDM method, linear accuracy in the matchboxes were not affected on the XY plane due to thickness (X direction), width (Y direction), and height (Z direction). In the YZ plane, thickness and height also did not have a regular effect on the amount of deviation, but with an increase in width for all three layers of thickness, the dimensional deviation decreases. The increase in thickness can play a role in reducing the amount of deviation by increasing the rigidity in the YZ plane. In the ZX plane, the effect of width and height on dimensional deviation was not seen. In matchboxes produced by the DMLS method with an energy density of 17.8 J/mm3, the deviation of the resultant deviation decreased with increasing width, while the amount of deviation increased with increasing height. In samples produced at an energy density of 88.9 J/mm3 in the YZ plane, the effect of varying thickness and height did not affect the amount of deviation, while a significant decrease in the amount of deviation was observed with increasing width. The changing width did not affect much the amount of deviation in the samples produced with an energy density of 17.8 J/mm3, but there was also an increase in the amount of deviation with an increase in thickness and height. While there was no significant change in the deviation amounts with increasing thickness, width and height in the samples produced with 88.9 J/mm3 in the ZX plane, a significant increase was observed in the deviation amounts with increasing thickness and height for the samples produced with 17.8 J/mm3. The increased width had the effect of reducing the amount of deviation in the resultant deviation. In both methods, a correlation was not found between the direction in which their right angles were facing in the triangular section and the amount of deviation.
When the composite triangular sections are examined, it is seen that the number of angular deviations increases as the angular ratio increases. The amount of angular deviation observed in the triangle 15˚-75˚-90˚ (R=0.09) is about tenfold greater than in the triangles 45˚-45˚-90˚ (R=0.33) and 30˚-60˚-90˚ (R=0.20). It has been observed that the amount of angular deviation increases as the smallest internal angle of the triangle decreases. According to the analysis, the average angular deviation decreases as the cross-section thickness increases. The change in average angular deviation relative to the thickness ratio is more pronounced in geometries produced with low layer thickness. The percentage of angular deviation in thick sections does not change to the extent that it is considered with the varying layer thickness. On the other hand, there was a significant reduction in angular deviation with increased layer thickness for thin geometries. In metal samples, the angular deviation in a triangular cross-section with an angular ratio of R=0.33 was examined, while angular deviation decreased with a decreasing energy density and angular deviation increased in a cross-section with an angular ratio of R=0.20. The change in the average angular deviation according to the thickness ratio is sharper in geometries produced with a higher energy density. In composite tube geometries with a lower layer thickness (0.100 mm and 0.125 mm), although there was a deviation that varies with the wall thickness, the effect of the layer thickness of 0.200 mm on the increase in deviation was quite high. In both composite and metal specimens, the centripetal deviations observed in tube geometry are greater than in tube geometry. In the FDM method, there was an increase in layer thickness, and in the DMLS method, there was an increase in the average amount of deviation in the concave and convex diameters of all cylindrical samples with a decrease in energy density. In both methods, it was observed that the decrease in wall thickness in the material affected increasing the deviations towards the center of the cylinder. No effect on layer thickness and scanning speed was observed in the deviation amounts of hemispherical and dogbone samples. In the dogbone geometry, an effect was noticed depending on the position of the diameters, rather than the effect of the production parameters on the amount of deviation. In the protruding geometry produced by the support structure, four radii with different axes and dimensions were examined, and it was found that there was no layout depending on the layer thickness and direction. On the other hand, in the protruding geometry produced with an energy density of 88.9 J/mm3, the radial deviation was produced with a diameter greater than the maximum value specified in geometry produced with an energy density of 17.8 J/mm3, while ±0.5 mm was within the tolerance value. In addition, radial deviation in concave bodies was more similar to composite and metal samples than in convex bodies. Although the amount of radial deviation was affected by layer thickness in the FDM method and energy density in the DMLS method, the diameter type was much more pronounced in both methods. Linear, angular and radial deviations according to the geometric shapes of the samples produced by DMLS and FDM methods were studied. To easily compare the amount of deviation, dimensions of the same type were normalized according to the maximum value. It has been observed that linear deviation decreases with increasing dimensions. The linear deviations encountered in the DMLS method are higher than in the FDM method. The change in thickness in the amount of deviation played a more important role. Low thickness geometries should be avoided to achieve higher dimensional accuracy. In addition, linear deviations in the matchboxes were studied according to varying layer thickness and energy density. Increasing layer thickness in the FDM method and decrease energy density in the DMLS method did not affect the deviation of vertical surfaces. In the DMLS method, the deviation of horizontal surfaces increases with decreasing energy density. By assigning the positions of the triangular prisms and matchboxes on the production table as angular, the effect of their positions on the amount of linear deviation was determined. The deviation values are minimal at angles of 0, 90, 180, 270 degrees. This can be explained by the working principle of additive manufacturing machines. In thick-section geometries (hc/A ≈ 1.0 and 1.4) produced by FDM and DMLS method, angular deviation was not affected by different layer thickness and scanning speed. On the other hand, for the thin-section triangular prism produced by the FDM method (hc/A ≈ 0.5), there was a significant reduction in angular deviation with increased layer thickness. Radial deviations were studied for both methods, considering the diameter sizes in addition to the diameter types of the samples. In the samples produced by DMLS method with concave diameter, the deviation decreases with increasing diameter size.
The surface roughness of dogbone and hemispherical geometries produced by two methods was measured. In FDM method, the surface roughness of both geometries produced with a layer thickness of 0.200 mm is about two times higher than that of samples produced with a layer thickness of 0.100 mm. In other words, surface quality decreases with increasing layer thickness. In DMLS method, the surface of the samples produced with lower energy density is rougher. Agglomerate of metal powders due to not finding enough time to fuse during faster scanning plays role in poor surface quality. To find out the dimensional effect on the surface roughness, the metal matchboxes of different sizes were investigated by SEM. After examination, it was observed that there is no size effect on the surface finish. Moreover, the surface roughness of the matchbox geometries in the XY and YZ planes were measured and the results were compared. The surface is smoother in XY plane, it can be explained by the working principle of DMLS machine.
The porosity of 45°-45°-90° angled triangular cross-section metal prisms analyzed by μ-CT was determined. In metal samples, porosity increased as the energy density decreased. The porosity is 0.17% and 1.49% for the specimens produced with higher and lower energy densities.
All in all, in this study, the geometrical deviations were examined in specified tolerance limit and according to results, some important points are highlighted to contribute to design optimization. In the FDM method, the increasing layer thickness has no effect on linear deviations either on the horizontal or vertical surfaces. Angular deviation in triangular prisms increases for thin cross-section (hc/A ≈ 0.5), although the deviation is in tolerance limit for the other specimens with a thicker cross-section (hc/A ≈ 1.0 and 1.4). In convex and concave bodies, radial deviation decreases as the layer thickness increases. Wall thickness is a significant parameter to consider in the design of hollow cylinders. In DMLS method, linear deviation decreases in horizontal surface with decreasing energy density. There is no change in angular deviation for thick cross-sections. For concave and convex bodies, radial deviation decreases as the energy density decreases. The surface roughness and porosity increase with decreasing energy density. Although it is known that surface roughness and porosity will decrease with increasing energy density in general, since the energy density does not change linearly, more studies that will contribute to the literature are needed to optimize and standardize production parameters.