Tel beslemeli ark ergitmeli eklemeli imalat yöntemiyle üretilen parçaların ısıl davranış, geometrik, mekanik ve metalürjik özelliklerinin araştırılması
Investigation of thermal behavior, geometrical, mechanical and metallurgical properties of wire arc additive manufactured parts
Yazar: AHMET SUAT YILDIZ
Danışman: PROF. DR. OĞUZHAN YILMAZ
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Eklemeli imalat karmaşık tasarımlar için sağlamış olduğu esneklik, daha az malzeme gideri ve daha kısa üretim süresi ile son yıllarda önemi artan ileri imalat yöntemlerinden birisidir. Tel beslemeli ark ergitmeli eklemeli imalat yöntemi (WAAM) büyük ve orta karmaşıklıktaki parçaların üretimine imkân tanıyan bir metal eklemeli imalat yöntemidir. Bu tez çalışmasında, WAAM yöntemiyle üretimde gerçekleşen ısıl etkilerin malzeme davranışına, parça geometrisine ve parçanın mikro yapısına etkileri sayısal ve deneysel olarak araştırılmıştır. Çalışmada ilk olarak WAAM yöntemi etkin proses parametreleri tel besleme hızı (TBH) ve TBH'nin ilerleme hızına (İH) oranının dikiş geometrisine, mikro yapı ve mekanik özelliklerine etkileri incelenmiştir. Sonuçlar TBH ve TBH/İH oranının ısı girdisini ve dikiş geometrisini kontrol eden ana parametreler olduğunu göstermiş ve dikiş geometrisini tahmin eden bir regresyon modeli geliştirilmiştir. Seçilen iki farklı parametre seti ile düşük, yüksek ısı girdili tek dikiş ve iki farklı yığma yollu bitişik dikiş duvarlar üretilmiştir. Bu duvarlar üzerinden alınan mikro yapı ve çekme numunelerinin incelenmesi sonucunda yüksek ısı girdisinin sünekliği %22 arttırdığı, akma ve çekme dayanımını sırasıyla %6 ve %4 düşürdüğü görülmüştür. Dikey ve yatay yönde çıkartılan çekme numunelerinin dayanımları izotropik özellikler göstermiştir. Tez çalışmasında ayrıca WAAM prosesi sırasında malzemede gerçekleşen ısıl davranışı incelemek amacı ile sonlu elemanlar analiz yöntemi ile bir ısıl model geliştirilmiş ve deneysel çalışmalarla doğrulanmıştır. Bu ısıl modelin WAAM prosesinde katmanlar arası bekleme sürelerinin tahmininde kullanılabilirliği kanıtlanmıştır. Elde edilen soğuma hızları sürekli soğuma dönüşüm grafiğine yerleştirilmiş ve üretilen parçaların mekanik özelliklerine doğrudan etki eden mikro yapıların oluşması tahmininde kullanılabileceği gösterilmiştir.

Abstract:
Additive manufacturing is promising by providing complex design flexibility, less material usage and short lead times. Wire arc additive manufacturing (WAAM) is a variant of additive manufacturing which allows production of large-scale and middle complex parts. In this thesis work, geometrical, mechanical and metallurgical properties of WAAM parts with the thermal behavior effects was studied. Firstly, the effect of the main WAAM parameters wire feed speed (WFS) and the ratio of WFS to travel speed (TS) on bead geometry, microstructure, and mechanical properties was investigated. The results showed that WFS and WFS/TS are the major parameters to control the heat input and bead geometry. A regression model which estimates the bead geometry was developed. With two chosen parameter sets, low and high heat input single-bead walls, and multiple bead walls with parallel and oscillation building strategy were deposited. Tensile and microstructure specimens extracted from the walls showed that the high heat input improves the toughness by 22%, but lowers the yield and tensile strength by 6% and 4% respectively. Vertical and horizontal oriented samples tensile test results showed that the material exhibits isotropic properties with WAAM. In order to investigate the thermal behavior in the material, a model using finite element method was developed and verified with the experiments. This model was further developed to estimate the cooling time between layers. The cooling curves were also used to estimate the microstructure which affects the mechanical properties of the parts by using the continuous cooling transformation diagram.