Eklemeli imalat ile üretilen kafes yapılarda tasarım ve üretim parametrelerinin mekanik özelliklere etkisi
Effect of design and process parameters on mechanical properties of additively manufactured lattice structures
Yazar: OĞULCAN EREN
Danışman: DOÇ. DR. HÜSEYİN KÜRŞAD SEZER ; PROF. DR. OLCAY ERSEL CANYURT
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Endüstriyel Tasarım Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: İleri üretim teknolojisi = Advanced production technology

Özet:
Bu doktora tezi, kafes yapılarının tasarımı ve üretiminde eklemeli imalat teknolojilerinin kullanımı üzerine metodolojik bir yaklaşım sunmaktadır. Havacılık, otomotiv ve biyomedikal endüstriyel uygulamalar için gelişmiş mekanik özelliklere ve mukavemet/ağırlık oranına sahip kafes yapıların imalatı son yıllarda giderek daha fazla önem kazanmaktadır. Her ne kadar Eİ teknolojisi, karmaşık kafes yapılarının üretiminde kullanılmaya başlanmış olsa da, birim hücre tasarımı, işlem parametreleri, baskı oryantasyonu gibi önemli etkileşimli faktörlerin kafes yapıların boyutsal doğruluğu ve mekanik özelliklerine etkileri sistematik bir şekilde irdelenmemiştir. Bu araştırmanın birincil amacı, tasarım ve imalat parametrelerini optimize ederek bu yapıların mekanik performanslarının iyileştirilmesidir. Çalışma metallik kafes yapılar üzerine yoğunlaşmış olsa da, farklı kafes yapı tasarımlarının mekanik özelliklere etkisinin ön çalışması için nispeten daha esnek çalışma prensibi sunan ve proses parametre optimizasyonu gerektirmeyen fotopolimer esaslı MutiJet baskı yöntemi kullanılmıştır. Bu ön çalışmadan edinilen tecrübe ve bilgi birikimi ile metalik kafes elemanlarının, Seçici Lazer ile Ergitme (SLM) Eİ yöntemiyle optimum üretimini sağlamak amacıyla farklı işlem parametreleri ve baskı oryantasyonları kullanılarak AlSi10Mg çubuk elemanları üretilmiştir. SLM işlem parametrelerinin eriyik havuz geometrisi ve dolayısıyla mekanik özellikler üzerindeki rolünü araştırmak için nümerik modelleme tekniği kullanılmıştır. Model gauss ışın dağılımına sahip lazer enerjisinin dairesel bir yol üzerinde hacimsel ısı kaynağı olarak ilerlemesi ile ısı dağılımı ve anlık faz değişimini ortaya koymaktadır. Optimum tasarımlar baz alınarak makine öğrenmesi temelli kafes tasarımları geliştirilmiş olup, basma ve darbe testleri ile mekanik özellikleri değerlendirilmiştir. Ayrıca, baskı parametrelerinin ve yapı yönelimlerinin SLM ile üretilen AlSi10Mg çubuk elemanların boyutsal doğruluğu, mikro yapısı ve mekanik performansı üzerindeki etkileri de incelenmiştir. Bu araştırmanın bulguları, kafes yapıların eklemeli imalat süreçlerinin anlaşılmasını ilerletmeye, kafes yapı performansını artırmaya ve makine öğrenmesi ile yenilikçi tasarım yaklaşımları geliştirmeye katkıda bulunmaktadır.

Abstract:
This doctoral thesis presents a methodological approach on the use of additive manufacturing (AM) technologies in the design and production of lattice structures. Manufacturing of lattice structures with advanced mechanical properties and strength to weight ratio for aerospace, automotive and bio-medical industrial application has been increasingly important in recent years. Although AM technology has been used in the production of complex lattice structures, the effects of significant interactive factors such as unit cell design, process parameters, print orientation, on the dimensional accuracy and mechanical properties of lattice structures have not been systematically studied. The primary aim of this research is to improve the mechanical performance of these structures by optimizing the design and fabrication parameters. Although the study focused on metallic lattice structures, the photopolymer-based MutiJet printing method, which offers a relatively more flexible working principle and does not require process parameter optimization, was used for the preliminary study of the effect of different lattice structure designs on mechanical properties. With the experience and knowledge gained from this preliminary study, AlSi10Mg strut elements were produced using different process parameters and print orientations to achieve optimal production of metallic lattice elements with the Selective Laser Melting (SLM) AM method. A numerical modeling technique was used to investigate the role of SLM process parameters on the melt pool geometry and subsequent mechanical properties. The model reveals the heat distribution and instant phase change with the progression of gaussian profile laser beam energy as a volumetric heat source on a circular path, resembling SLM circular strut element manufacturing process. Machine learning-based lattice designs were developed based on optimum designs, and their mechanical properties were evaluated by compression and impact tests. In addition, the effects of printing parameters and structure orientations on the dimensional accuracy, microstructure and mechanical performance of AlSi10Mg struts produced with SLM were also examined. The findings of this research contribute to the wider understanding of additive manufacturing of complex lattice structures with significant performance improvement and machine learning based innovative lattice designs.