Titanyum alaşımı gözenekli biyomedikal parçanın eklemeli imalat için tasarımı ve üretim parametrelerinin optimizasyonu
Optimization of design and manufacturing parameters of titanium alloy porous biomedical part for additive manufacturing
Yazar: TOLGA MERAL
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA GÜNAY
Karabük Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu çalışmada, bir biyomedikal parçanının sonlu elemanlar yöntemi esaslı tasarımı ve eklemeli imalatı için seçici lazer ergitme (SLM) yöntemi üretim parametrelerinin (lazer gücü, yana kayma mesafesi, tarama hızı) optimizasyonu amaçlanmıştır. Üretim için modellenen kama tipi bir implant iki farklı üçlü periyodik minimum yüzey (TPMS) tabanlı birim hücre yapısından oluşmaktadır. Çalışma kapsamında, %55-%75 gözenek oranlarında schwarz ve gyroid TPMS birim hücre yapılarıyla seçici lazer ergitme tekniğindeki üretim sınırlılıkları dikkate alınarak implant modelleri tasarlanmış ve modeller üzerinde sonlu elemanlar yöntemi (FEA) esaslı nümerik analizler gerçekleştirilmiştir. FEA modellerine basma testleri uygulanarak, Ti6Al4V alaşımlı TPMS yapılarının Young modülü ve akma dayanımı gibi tahmini mekanik özellikleri ortaya çıkarılmıştır. FEA neticesinde, üretim noktasında en uygun gözenek oranının her iki birim hücre yapısı için %75 olduğu saptanmıştır. Üretim aşamasında, Taguchi L27 dikey dizin deney tasarımı olarak kullanılmış, gyroid ve schwarz birim hücre yapılarına bağlı olarak toplamda 54 adet numune üretim parametrelerinin değişkenliğine bağlı olarak üretilmiştir. Üretilen biyomedikal parça numunelerinin statik testler neticesinde mekanik özellikleri (Young modülü ve akma dayanımı) araştırılmış ve üretim parametreleri istatistiksel olarak değerlendirilerek en uygun seviyeleri belirlenmiştir. Ayrıca, varyans analizi ile (ANOVA) üretim parametrelerinin etki oranları Young modülü için hesaplanmıştır.

Abstract:
In this study, it was aimed to optimize the production parameters (laser power, hatch distance, scanning speed) of the selective laser melting (SLM) method for finite element method (FEA) based design and additive manufacturing of a biomedical part. A wedge-type implant modelled for the manufacturing consists of two different triple periodic minimum surface (TPMS)-based unit cell structures. Within the scope of the study, implant models were designed with schwarz and gyroid TPMS unit cell structures with 55%-75% porosity ratios, taking into account the production limitations in the selective laser melting technique, and finite element method (FEA) based numerical analyzes were carried out on the models. By applying compression tests to FEA models, estimated mechanical properties such as Young's modulus and yield strength of Ti6Al4V alloy TPMS structures were revealed. As a result of FEA,it was determined that the optimal porosity ratio at the production point was 75% for both unit cell structures. During the production phase, Taguchi L27 vertical array was used as the experimental design, and a total of 54 samples were produced depending on the gyroid and Schwarz unit cell structures, depending on the variability of production parameters. As a result of static tests, the mechanical properties (Young's modulus and yield strength) of the produced biomedical part samples were investigated and the production parameters were evaluated statistically and the most suitable levels were determined. Additionally, the effect ratios of production parameters were calculated for Young's modulus by analysis of variance (ANOVA).