Metallerin lazer katmanlı imalatında kullanılan proses parametrelerinin etkisinin, modelleme ve simülasyon yöntemleri kullanılarak incelenmesi
Investigation of the effects of process parameters for laser additive manufacturing by using modeling and simulation methods
Yazar: ÖZGÜR POYRAZ
Danışman: DOÇ. DR. MELİH CEMAL KUŞHAN
Eskişehir Osmangazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Konstrüksiyon ve İmalat Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Son  yıllarda  katmanlı  (eklemeli)  imalat  teknolojilerinin  kullanıldığı  ve  metal malzemeden fonksiyonel parça üretimini amaçlayan çalışmalar artarak devam etmektedir. Sundukları farklı avantajlar sebebi ile yaygınlaşan katmanlı imalat teknolojileri; kullanılan malzeme formu, malzeme ekleme tekniği, enerji girdisi çeşidi ve proses konfigürasyonu gibi pek  çok  konuda  farklılıklar  göstermektedir.  Bunlar  arasından  toz  yatağında  lazer  ile 
birleştirme  yöntemi,  ince  geometrik  unsurların  üretilebilmesi,  yüzey  kalitesinin  diğer yöntemlere kıyasla iyi olması ve yeni malzeme çeşitleri açısından sunduğu esneklik sebebi ile  çeşitli  endüstri  kolları  tarafından  tercih  edilmektedir.  Bununla  beraber  söz  konusu yöntemin doğası gereği meydana gelen, metal tozunun hızlı ergime ve  katılaşma süreçleri sebebi ile artık (kalıntı) gerilmeler oluşmaktadır. Oluşan bu artık gerilmelere bağlı olarak parçada  deformasyonlar  meydana  gelebilmekte  ve  dolayısıyla,  parça  geometrisi  veya malzemesine bağlı olarak hedeflenen kalitede üretimler elde edilememektedir. Bahsi geçen zorlukların üstesinden gelmek, ancak toz yatağında lazer ile birleştirme yönteminin imalat / proses parametreleri açısından optimize edilmesi ile mümkün olmaktadır. Bununla beraber proseste yer alan çok sayıda farklı parametrenin etkisinin tek bir araştırmacı veya kurum tarafından anlaşılması, zaman ve maliyet açısından uygulanabilir değildir. Bu çalışmada aktarılan zorlukların üstesinden gelmek için metallerin lazer katmanlı imalatında  kullanılan  proses  parametrelerinin  etkisinin,  modelleme  ve  simülasyon yöntemleri kullanılarak incelenmesi amaçlanmıştır. Çalışma kapsamında toz yatağında lazer 
ile birleştirme için sonlu elemanlar yöntemi ile nümerik bir model oluşturulmuştur. Termal ve  mekanik  sonuçların  öngörülebildiği  model  ile  simülasyonlar  gerçekleştirilerek  temel proses  parametrelerinin  etkileri  numune  geometrileri  üzerinde  incelenmiştir.  Model hızlandırma çalışmalarının da yer aldığı tez içerisinde üç boyutlu karmaşık geometriler için de simülasyonlar yapılmış ve deneysel verilerle karşılaştırılmıştır.

Abstract:
In  recent  years,  studies  using  additive  (layered)  manufacturing  technologies  and aiming to produce functional parts from metallic materials continue to increase. Additive manufacturing technologies, which have become widespread due to various  advantages they present;  differ  in  many  aspects,  such  as  the  material  form  used,  the  material  insertion technique, the type of energy input and the process configuration. Among them, laser powder bed fusion technique is preferred by various industries due  to the possibility of producing 
fine geometric features, better surface quality comparing to other techniques and offered flexibility  for  new  material  types.  However,  due  to  the  rapid  melting  and  solidification processes  of  the  metal  powder,  which  are  inherent  to  the  method,  residual  stresses  are generated. Because of  these residual stresses, deformation may occur in the  final part and therefore the targeted  production  quality can not be obtained  in terms  of  part geometry or the material. It is only possible to overcome the difficulties mentioned above by optimizing the manufacturing / process parameters of laser powder bed fusion technique. Nevertheless, 
it is not feasible in terms of time and cost to understand the effect of a large number of different parameter just by one reseacher or institute. 
In this study, it is aimed to inve-stigate the effect of process parameters used in laser powder bed fusion process of metals by using modeling and simulation methods in order to overcome the difficulties. In  the scope of the study, a numerical model was established by using the finite element method for powder bed fusion process. Simulations were carried out and the effects of basic process parameters were examined on sample geometries with the model that can predict thermal and mechanical results. In the thesis which includes model acceleration studies, simulations were also made for three dimensional complex geometries and compared with experimental data.