Seçici lazer ergitme yöntemiyle metal alaşımlarında mikrokanal üretiminin deneysel ve sayısal incelenmesi
Experimental and numerical investigation of microchannel production in metal alloys by selective lazer melting method
Yazar: HAMAID MAHMOOD KHAN
Danışman: PROF. DR. M. HÜSNÜ DİRİKOLU
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Seçici Lazer Ergitme (SLE), geleneksel yöntemlerle neredeyse imkansız olan parça imalatı için geniş bir platform sağlayarak üretimde devrim yaratmaktadır. SLE'de metal tozları, güçlü lazer kaynağıyla yüzeylerine ışıma olduğunda ergimeyle kaynaşır. Yüksek tarama hızında yönlendirilen lazer kaynaklı ısı enerjisi, üretilen parçaların nihai mekanik ve mikroyapısal özelliklerini belirleyen ve lazerin etkidiği noktada oluşan ergiyik havuzundaki fiziksel ve kimyasal olayları değiştirir. Ayrıca ergime havuzunun şekli, soğutma kanalları, geometrik toleranslı parçaları, hücresel tip kafes profilleri vb. karmaşık geometrilerin yapısal bütünlüğünü de önemli oranda etkiler.

Bu tez çalışması destek yapıları olan ve olmayan çıkıntılı yüzeylerin SLE imalatında karşılaşılan zorlukları aşmayı hedeflemektedir. Tarama yatağına paralel inşa edilmiş küçük dairesel profiller, eğimli çıkıntı yüzeyleri olarak kabul edilebilir. Yatay deliklerin imal edilmesi, tozların oluşturduğu cüruftan veya hassas dairesel yatay kanalların tıkanmasına neden olan ayarsız enerji düzeyinden dolayı imal edilmesi zordur. Bu nedenle, bu çalışma kanal yüzeyinin yüzey pürüzlülük özelliklerini ve ergiyik havuz derinliğini kontrol etmek için özellikle lazer gücü ve tarama hızı gibi uygun işlem parametrelerini belirlemeye odaklanmıştır.

Çalışma, imal edilen destekli veya desteksiz parçaların yüzey pürüzlülüğünü değerlendirmek için 5 ana bölüme ayrılmıştır. Bunun için eğimli, dikey ve yatay profiller gibi 3 farklı yüzeyi, çıkıntı yüzeyli bir geometriyi ve tarama platformuna paralel olarak oluşturulan dairesel bir profili analiz etmek için 5 farklı model seçilmiştir. ANSYS simülasyon paketi, ergiyen aktif katmanlardaki ısı akışını analiz etmek için kullanılmıştır. Bu analizlerde ergitilmiş havuzun kesitini, gevşek toz bölgelerini ve alt katmanların yüzey profilini değerlendirmek üzere nümerik ve daha sonra da deneysel karşılaştırmalar gerçekleştirilmiştir.

Yüzey pürüzlülüğünün, toplam çıkma uzunluğundan, kullanılan destek türlerinden ve numunenin platformdaki konumundan etkilendiği tespit edilmiştir. Yüksek ısı dağıtımı için yoğun desteklerin daha iyi bir olduğu hesaplanmıştır. Buna ek olarak, hibrit desteklerin karmaşık çıkıntı geometrilerinde denge sağladığı görülmüştür. Köşelerdeki yüzey pürüzlülüğünün, merkezde işlenenden oldukça yüksek olduğu belirlenmiştir.

Yapılan ANSYS temelli analiz çalışması, dairesel kesitli kanal içeren parçalar için uygun işlem parametrelerinin tanımlanmasını sağlayabilmiştir. Tozun içindeki ısı dağılımının, altta yatan desteklere veya katı olan tabana kıyasla oldukça zayıf olduğu gözlenmiştir. Ayrıca, bu durumda dairesel bir delik gibi çıkıntı profillerin imalatında kullanılan alt katman parametrelerinin, yüzeyi ve yapısal bütünlüğü etkilediği de görülmüştür. Neticede 0.5 mm çapındaki dairesel kesitli bir mikrokanalın taban ve tavan kısımlarını oluşturacak ilk birkaç katmandaki lazer gücünün ve tarama hızının 65 W ve 1000 mm/sn şeklinde alınmasının, ardından geriye kalan kısımlarda ise bu işlem parametrelerinin 370 W ve 1300 mm/sn olarak ayarlanmasının, böyle bir kanalın AlSi10Mg alaşımı malzemeli bir parçanın içinde başarıyla üretilebileceği gösterilmiştir. Bu analiz yaklaşımının farklı malzeme, kesit boyutları ve geometrilerde de kullanılabileceği değerlendirilmektedir.

Abstract:
Selective Laser Melting (SLM) is revolutionizing manufacturing by providing a wide platform to produce customized goods that were nearly impossible with traditional methods. In SLM, the metal powders fuse on melting as the high-powered laser source irradiates the surface. The high heat energy at a high scan rate alters several physical and chemical phenomena inside a melt pool that defines the final mechanical and microstructural features in the fabricated parts. Moreover, the shape of the melt pool also strongly affects the structural integrity of complex geometries such cooling channels, non-assembly structures, clearance parts, trusses, cellular lattice profiles etc. 
The study targets the challenges faced in designing overhang surfaces with and without support structures. The small circular profiles built parallel to the scanning bed can be assumed as inclined overhang surfaces. The fabrication of horizontal holes is difficult to fabricate due to high incident energy that results in deeper melt pool shapes that either forms high dross or total blockage of circular precision channels. Therefore, this study was undertaken to evaluate the surface roughness features of down-skin surface and to control the melt pool depth with a suitable selection of processing parameters particularly laser power and scan rate. 
The study was divided into 5 main chapters to evaluate the surface roughness of fabricated parts with and without supports. For this different sample were chosen to analyze the different surfaces such as inclined, vertical and horizontal profiles and different geometries with overhang surfaces and circular profile built parallel to scanning platform. The simulation package provided by ANSYS was used to numerical model a simple system to analyze the heat flow effect in the active layers supported by different underlying platforms. The prime focus was to assess the melt pool depth formation in regions with loose powder base and to evaluate the surface profile of down-skin region. 
The surface roughness was found to influence with total overhang length, kind of supports used and the position of sample on a built platform. For high heat dissipation, dense supports provide better solution with slight or negligible curls in processed layers in overhang regions. Additionally, the hybrid supports were found to provide balance in complex overhang geometries. Surface roughness of inclined surface in the corner samples was found quite high than the samples processed at the center of build plate.
The ANSYS study enables to identify the suitable process parameters for circular built geometries. The heat dissipation in powder was observed quite poor in comparison to underlying supports or solid base. Moreover, the down-skin parameters used in fabricating overhang profiles such as circular hole in this case strongly affects its surface and structural integrity. The parameters (65W, 1000mm/s) in the first few layers (4 or 5) followed by core processing parameters (370W, 1300mm/s) was observed to successfully fabricate 0.5mm hole.