Hava aracı yapısal parçasının topoloji optimizasyonu kullanılarak eklemeli imalata uygun tasarımı ve sayısal analizlerle doğrulanması
Design for additive manufacturing of an aircraft structural part using topology optimization and validation with numerical analyses
Yazar: EMRE KIZILBOĞA
Danışman: PROF. DR. OLCAY ERSEL CANYURT
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Geleneksel üretim yöntemlerinin getirdiği kısıtlar parçalarda üretim sonrası gereksiz malzemeli bölgelerin kalmasına ve daha ağır bir tasarımın kullanımına yol açmaktadır. Eklemeli imalat yönteminin bu kısıtı kaldırmasıyla tasarımda esneklik ve daha hafif bir tasarımla daha mukavim bir sonuca ulaşılmasının önü açılmıştır. Eklemeli imalatta üç boyutlu modeli katman katman işleyip kayıpsız olarak üretime gönderebilme kabiliyeti daha yaratıcı ve hafif tasarımların ortaya konabilmesine olanak sağlamıştır. Daha hafif ve mukavim parçalara ulaşmanın en önemli araçlarından birisi de topoloji optimizasyonu metodudur. Topoloji optimizasyonu belirlenen tasarım hacminde en iyi malzeme dağılımını bulmak ve gereksiz olan bölgelerdeki malzemeleri boşaltarak optimum parça ağırlığına ulaşmak amacıyla kullanılan bir metodolojidir. Bu çalışmada hava aracında yapısal olarak konumlanan alüminyum malzemeden geleneksel CNC talaşlı imalat yöntemiyle üretilen bir parçanın kritik yük koşulları altında hasara uğramadan yeterli dayanımı sağlayacak şekilde eklemeli imalatla üretimi için yeniden tasarlanması amaçlanmıştır. Ek olarak yapının 5 adet en kritik yüklemeleri altında herhangi bir hasar durumuna sebebiyet vermeden güvenliğinin tesisi açısından gerekli sonlu elemanlar yöntemi&el hesaplamaları gerçekleştirilmiş, tasarımın son halinin toz yataklı seçici lazer ergitme tezgahında başarılı bir şekilde üretilebileceği de üretim analiz yazılımıyla ortaya konulmuştur. Topoloji optimizasyonu prosesinde kısıt fonksiyonu olarak %30 hacim oranı, hedef fonksiyonu olarak kompliansın minimize edilmesi seçilmiştir. Talaşlı imalat prosesinde üretim için kullanılan Al7050 malzemesi yerine Ti6Al4V tozu tercih edilmiştir. Parça ağırlığı 2,640 kg'dan 1,688 kg'a düşürülmüş ve %36,1'lik bir ağırlık azaltım oranına erişilmiştir. Ayrıca başlangıçta 1,01 olan malzeme dayanımı emniyet katsayısı 1,25'e, 24 bağlayıcı kullanılan 1,42 bağlayıcı dayanımı emniyet katsayısı son durumda 12 bağlayıcı ile 1,07'ye ulaştırılmıştır.

Abstract:
Traditional production methods impose limitations, resulting in unnecessary material regions and the use of heavier designs in parts post-production. The additive manufacturing method eliminates this constraint, allowing for flexibility in design and achieving a more resilient outcome with a lighter design. Additive manufacturing processes enable the layer by layer creation of more creative and lightweight designs without loss. Topology optimization is crucial for achieving lighter and more resilient parts. It aims to find the best material distribution in a defined design volume, emptying unnecessary material regions to reach the optimal part weight. This study aims to redesign a part made of aluminum traditionally produced using CNC machining methods in an aircraft, ensuring sufficient strength under critical load conditions without damage, through additive manufacturing. Additionally, finite element method & hand calculations were performed to ensure structural integrity under the five most critical loading conditions, and it was demonstrated that the final design could be successfully produced using selective laser melting with powder bed fusion through production analysis software. In the topology optimization process, a 30% volume constraint and weighted compliance minimization were selected as the constraint and objective functions, respectively. Ti6Al4V powder was preferred over Al7050 material used in machining processes. The part weight was reduced from 2,640 kg to 1,688 kg, achieving a 36,1% reduction. Additionally, the initial material strength safety factor of 1,01 increased to 1,25, and with 24 fasteners, it reached 1,42, then to 1,07 with 12 fasteners.