Metal eklemeli imalat yöntemi ile üretilen Ti-6Al-4V humerus plağının eğilme davranışının deneysel ve sayısal olarak incelenmesi
Experimental and numerical investigation of the bending behavior of  Ti-6Al-4V humerus plates produced by metal additive manufacturing method
Yazar: KAMURAN KAMİL YEŞİLKAYA
Danışman: PROF. DR. YUSUF USTA ; DR. ÖĞR. ÜYESİ MEHMET FATİH AYCAN
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Üretim ve Teknoloji Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu çalışmada metal eklemeli imalat yöntemiyle üretilmiş mekanik parçaların eğilmeye karşı dayanıklı olacak şekilde daha düşük maliyetle üretilmesi amaçlanmıştır. Bu doğrultuda, Ti-6Al-4V malzemeden imal edilen test numunelerinin ve bunun yanı sıra bir de humerus kemik plağının, eklemeli imalat değişkenlerinden olan lazer gücü ve tarama aralığının farklı değerleri için eğilmeye karşı olan davranışları incelenmiştir. Eklemeli imalat sonrasında parçalara iki farklı ısıl işlem uygulanarak eğilme dayanımına etkileri araştırılmıştır. Isıl işlem farklılığı sebebiyle oluşan eğilme dayanımı farkı, standart imalat değişkenleri temel alınarak üretilen numunelerin mikro yapı incelemeleriyle açıklanmıştır. Malzeme karakterizasyonu, pürüzlülük ve yoğunluk ölçümleriyle eklemeli imalatların karşılaştırması yapılmıştır. Yapısal eniyileme çalışması yapılarak eklemeli imalatla üretilen humerus kemik plağının daha yüksek eğilme dayanımını sağlayan ve daha düşük maliyetli bir muadili elde edilmiştir. Sonuç olarak, eklemeli imalat tezgâhının standart değişkenleri yerine daha kısa imalat süresi sonunda aynı seviyede eğilme dayanımı elde edilebilen değişken takımları bulunmuştur. Farklı ısıl işlem süreçlerinin sonuçlarına göre daha düşük maliyetli olan ısıl işlem yöntemi de belirlenmiştir. Sonlu elemanlar yöntemi yardımıyla test gereksinimleri azaltılarak benzetim ortamında doğrulama ve geçerleme çalışmaları mümkün kılınmıştır. Humerus kemik plağı için gerçekleştirilen eniyileme çalışması sonucunda referans alınan kemik plağına nazaran daha hafif ve eğilmeye karşı daha dayanıklı bir kemik plağı tasarım, eklemeli üretim, analiz ve test çalışmalarıyla ortaya konulmuştur. Başarım testleri, kurulan sonlu elemanlar modelinin yeni tasarım ve üretim şeklinin daha iyi sonuçlar verdiğini doğrulamış ve ağırlıkça %21,6 azalma, dayanım olarak da %23,3'e varan artışların olduğunu göstermiştir.

Abstract:
In this study a lower cost manufacturing of bending resistant mechanical parts produced by metal additive method was aimed. Accordingly, bending strength characteristics of Ti-6Al-4V test specimens and also a humerus bone plate were investigated for different values of laser power and hatch spacing which are among the additive manufacturing parameters. The effect of two different heat treatment types on bending strength was also researched. The difference in bending strength resulting from the different heat treatment processes was explained by microstructural examinations of the specimens produced based on a standard manufacturing parameters set. The comparison of additive manufactures was made by the material characterization, roughness and density measurements. A lower cost equivalent of the humerus bone plate which would provide higher bending strength was obtained through a structural optimization study. As a result, instead of the standard parameters of the additive machine, parameter sets which can achieve the same level of bending strength at the end of a shorter manufacturing period were found. The lower cost heat treatment method was determined according to the results of different heat treatment procedures. With the help of the finite element method, testing requirements were reduced and verification and validation studies in the simulation environment were made possible. As a conclusion of the optimization study carried out for the humerus plate, a lighter and more bending resistant plate compared to the reference plate has been demonstrated by design, additive manufacturing, analysis and testing studies. Performance tests verified new design and manufacturing type of the finite element model with better results and showed 21,6% reduction in weight and 23,3% increase in strength.