Metal lazer ergitme modellemesi ve doğrulaması
Modelling of metal laser melting and verification
Yazar: MEHMET ALPER DEMİRAY
Danışman: PROF. DR. MEHMET CENGİZ KAYACAN ; PROF. DR. CENGİZ BAYKASOĞLU
Süleyman Demirel Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Konstrüksiyon ve İmalat Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Bilgisayar destekli üretim = Computer aided manufacturing ; Bilgisayarlı bütünleşik üretim = Computer integrated manufacturing ; Makine üretim endüstrisi = Machine manufacturing industry ; Üç boyutlu analiz = Three dimensional analysis ; Üç boyutlu modelleme = Three dimensional modelling

Özet:
Bu tez çalışmasında bir eklemeli imalat yöntemi olan metal lazer ergitme yöntemi için hem mikro hem de makro ölçekli ısıl benzetim modelleri geliştirilmiş ve bu modeller deneysel ölçümlerle doğrulanmıştır. Isıl modellemede malzeme özellikleri için literatür verilerinden yararlanılmış; lazer gücü, tarama hızı, tarama mesafesi ve katman kalınlığı gibi değişken parametreler kullanılıp bu değişkenlerin metal lazer ergitme sürecine etkileri de parametrik halde ve detaylı şekilde incelenmiştir.
Isıl benzetim modelleri ve analizi işlemleri mikro modeller için ABAQUS arayüzünde Fortran ve Phyton dillerinde, makro model içinse MATLAB yazılımında C++ dilinde kaynak kodlar geliştirilmek suretiyle gerçekleştirilmiştir. Öncelikle hareketli ısı kaynağı problemi için Goldak ısı modeli uygulanmış, iletim, taşınım ve ışınımla ısı transferi türleri modellerde dikkate alınmıştır. İki farklı malzeme türüne yönelik (316L ve Ti6Al4V) geliştirilen mikro modellerde malzeme özellikleri sıcaklık ve gözenekliliğe bağlı alınırken, Gafik Teorisine dayalı makro model ise IN718 malzemeye yönelik sabit ortalama malzeme özellikleri dikkate alınarak geliştirilmiştir.
316L malzeme için geliştirilen mikro modelin doğrulanması için özel bir seçici lazer ergitme (SLE) cihazı tasarlanmış, imalatı ve kontrolü tamamlanmıştır. Bu cihaz üzerinde gerekli imalatlar yapılırken, cihaza bağlanan bir pirometre sensörü ile sıcaklıklar ölçülerek modeller doğrulanmıştır. Ayrıca Ti6Al4V toz hammadde için aynı mikro modelin doğrulama çalışması ticari bir SLE cihazında yürütülmüştür. Elde edilen bulgulara dayanarak mikro ölçekli modellerin gerçekte oluşan ergiyik havuz ölçülerini ortalama ∓ % 10 oranında bir hata ile sıcaklıkları ise ortalama % ∓ 15 hata ile tahmin edebildiği görülmüştür. Makro modelin doğrulanması için ise yine farklı bir ticari SLE cihazında imalatlar yapılırken, imalatlar sırasında yüksek hızlı ısıl görüntüleyici kamera kurulumu ile sıcaklıklar ölçülmüştür. Grafik Teorisi ile benzetim sonucunda da, çeşitli endüstriyel geometrili parçalarda oluşan sıcaklıklar da ∓ % 3 hata ile tahmin edilmiştir.
Sonuç olarak, geliştirilen modellerin seçmeli lazer ergitme yöntemini modellemede yüksek tahmin kabiliyetine sahip olduğu ve ısıl değişimlerin üzerindeki etkisi gözlemlenerek bu değişimlerin kontrolünde kullanılabileceği ortaya konulmuştur.

Abstract:
In this thesis, thermal modelling of metal laser melting method has been done with both in micro and macro scale. Verification study of the predicted thermal model temperatures has been also conducted by experimental measurements. To set up thermal model, material properties have been used from the literature. laser melting parameters have been used such as laser power, scanning speed, hatching distance.
Analysis and simulation studies have been calculated by writing source codes containing Fortran and Phyton languages in ABAQUS for micro models and MATLAB software interface containing C++ language for macro model. At the first step, Goldak Heat Model is applied for moving heat source problem. For conduction, convection and radiation heat transfer types, related mathematical expressions is taken into account. While material properties is taken as temperature dependent for micro models that is developed for two types of raw material (316L ve Ti6Al4V), amterial properties is taken as constant for macro model which is based on Graph Theory.
To validate micro model simulation results for 316L material, special metal laser melting powder bed device was designed and manufactured. During laser track manufacturings on this device, temperatures was measured by using pyrometer sensor. Temperature measurements were conducted on a commercial laser melting device and the same model was adopted by using another raw material (Ti6Al4V) at this device. Based on findings in this thesis, real temperatures predicted by micro thermal model with % 15 mean error and melt pool dimensions were predicted with % 10 mean error. In-situ temperature measurements were conducted during the manufacturing of a different another substrate by using different raw material (IN718) on a different laser melting device to validate Graph Theory based simulation results. By using Graph Theory which is newly promising modelling method in the literature, end of cycle temperatures of industrial purposed geometries were predicted with % 3 mean error successfully.
As a result, it was revealed that both developed micro and macro models have the ability of prediction of parameter effects on heat variations. It was also claimed that those effects can be observed and can be used to control heat accumulation or variation.