Eklemeli imalat destekli dereceli hassas döküm yöntemi ile bal peteği yapıların üretimi ve karakterizasyonu
Production and characterization of honeycomb structures by additive manufacturing-aided investment flask mould casting method
Yazar: FATİH GÜLER
Danışman: PROF. DR. ÖZGÜL KELEŞ ; DR. LEVENT TURHAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Günümüzde insanlığın yaşam konforunu geliştirmek amacıyla istek ve ihtiyaçları varolan teknolojilerin ve ürünlerin sınırlarını zorlayarak artmaktadır. Son yıllarda artan bu istek ve ihtiyaçlar doğanın taklit edilmesi yoluyla yeni malzeme ve teknolojilerin geliştirilmesini sağlamaktadır. Bal arılarının doğal olarak oluşturdukları kusursuz hücresel bal peteği yapılarından ilham alınarak geliştirilen insan yapımı bal peteği yapıları; hafiflik, dayanım, enerji sönümleme gibi üstün özellikleri nedeniyle hayatın her alanında yaygın olarak kullanılabilme potansiyelleriyle çalışmalara sürekli konu olmaktadır. Bal peteği yapıları, birbirine bağlanmış ince malzeme tabakalarından oluşan, iki boyutlu sıralanmayla düzlem alanı periyodik olarak dolduran prizmatik hücresel malzemelerdir.

İnsanlığın doğadan esinlenerek geliştirdiği bal peteği yapıları, hafiflik, rijitlik, enerji sönümleme, ısı, ses ve akustik yalıtım sağlama, korozyona dayanıklı olma, küf, mantar ve bakteri oluşumlarını engelleme, aleve dayanım, kimyasallara karşı dirençli olma gibi önemli özelliklere sahip olabilmeleri nedeniyle çeşitli enerji sönümleme uygulamalarında ve özellikle sandviç panel yapılarında yaygın olarak kullanılmaktadırlar. Benzersiz özelliklere sahip bu yapıların özelliklerinin ortaya çıkarılmasına çeşitli parametreler etki etmektedir. Bal peteği yapıların özelliklerinin ortaya çıkarılmasına etki eden önemli parametreler, yapının üretiminde kullanılan ana malzeme türü, üretim yöntemi, hücre yapısı, hücre geometrisi, hücre düzeni ve topolojidir.

Bal peteği yapıların üretimi için uzatarak şekil verme, kıvırma ve sıkıştırma kalıplama yöntemleri ile eklemeli (katmanlı) imalat teknolojileri kullanılarak doğrudan üretim olmak üzere çeşitli yöntemler kullanılmaktadır. Uzatarak şekil verme, kıvırma ve sıkıştırma kalıplama ile üretim yöntemleri bal peteği yapılarını üretmek için sıklıkla kullanılan geleneksel yöntemlerdir. Eklemeli imalat teknolojileriyle üç boyutlu yazıcılar kullanılarak bal peteği yapıların doğrudan üretimi ise, geleneksel üretim yaklaşımlarının sınırlamalarını kaldırmasıyla günümüzde kullanımı ağırlık kazanmıştır. Üç boyutlu yazıcılar ile bal peteği yapıların üretiminde hücre geometrileri, hücre çapları ve hücre kalınlıkları değiştirilebilmekte ve geniş malzeme seçeneklerinden faydalanılabilmektedir.

Bu tez çalışmasında, özgün tasarım bal peteği yapıları, bilinen diğer üretim yöntemlerinin aksine, eklemeli imalat teknolojileriyle modellerin basımı gerçekleştirildikten sonra Türkiye' de bir ilk olarak dereceli hassas döküm (kayıp mum) yöntemi kullanılarak başarıyla üretilmişlerdir. Dereceli hassas döküm yöntemi, alçı vb. kalıp malzemeleri ile kaplanan nihai ürün mum modelinin yapıdan uzaklaştırılmasının akabinde yerine sıvı metalin dökülmesi prensibine dayanmaktadır.

Oluşturulan tasarım verileri, çeşitli hücre çaplarına ve hücre et kalınlıklarına sahip düz altıgen (regular hexagonal) geometride bal peteği yapıları ile kaydırmalı altıgen (offset strip hexagonal) geometride bal peteği yapılarını içermektedir. Düz altıgen geometride bal peteği yapıları ile her biri altıgen prizma şekline sahip hücrelerin sıralanmasıyla düzlem alanı dolduran hücresel bal peteği yapıları ifade edilmektedir. Kaydırmalı altıgen geometride bal peteği yapıları ile ise her biri 10 mm yüksekliğe sahip toplam 5 katmandan oluşan ve her bir katmanında yarım hücre altıgen kaydırması yapılmış olarak düzlem alanı dolduran hücresel bal peteği yapıları ifade edilmektedir. Düz ve kaydırmalı altıgen geometride bal peteği tasarımları 6,2 mm ve 10,8 mm hücre çaplarına sahip ve hücre et kalınlıkları 0,8 mm' dir.

Tez çalışması kapsamında ilk olarak düz ve kaydırmalı altıgen geometrilere sahip bal peteği yapıların bilgisayar destekli tasarımları (CAD) yapılarak, temel ham maddesi polimer toz olan bağlayıcı püskürtme imalat tekniğine sahip üç boyutlu yazıcıda işlenmiştir. Üç boyutlu yazıcı vasıtasıyla elde edilen bal peteği mum modeller, yolluk dizilimleri yapıldıktan sonra vakum ve vibrasyon ortamında alçı ile kalıplanarak, silindirik delikli dereceler (fanus) içerisine yerleştirilmiş ve döküm kalıpları oluşturulmuştur. Hazırlanan döküm kalıplarının, elektrik rezistanslı fırın içerisinde normal atmosferde mum giderme ve alçı pişirme işlemleri gerçekleştirilmiştir. Fırın içerisinden alınan alçı kalıplar vakum destekli döküm haznesi içerisine yerleştirilmiş ve kalıbın içerisindeki model mumun kaybolmasıyla oluşan boşluğa, ergitilen A356 (AlSi7Mg0.3) alüminyum alaşımı dökülerek, ergiyik metalin katılaşması sağlanmıştır. Katılaşma sonrası kalıplar alçıdan temizlenmiş ve elde edilen metal yapıya tesviye işlemleri yapılmıştır. Üç boyutlu yazıcıdan elde edilen model kalıp içeriğinde Polypor ticari bağlayıcılı Polimetilmetakrilat (PMMA) ana toz malzemesi bulunmaktadır. Çalışmalar kapsamında kullanılan malzemelere XRD ve TGA analizleri yapılarak özellikleri ve üretime uygunlukları belirlenmiştir. Üretimi yapılan çeşitli geometrilere sahip bal peteği yapıların özelliklerini belirlemek ve proses parametrelerini optimize etmek amacıyla makro ve mikro yapı incelemeleri optik mikroskop (OM) ve taramalı elekton mikroskopları (SEM) yardımıyla yapılmıştır. XRD analizleri yapılarak fazları tayin edilen bal peteği yapılara mikro sertlik ve basma testleri uygulanmıştır.

Dereceli hassas döküm yöntemiyle üretim sonrası yapılan makro yapı incelemelerinde, bağlayıcı püskürtme tekniğine sahip üç boyutlu yazıcı kullanılarak elde edilen düz ve kaydırmalı altıgen geometride bal peteği model mumlarının, alüminyum alaşım esaslı metal malzeme kullanılarak bire bir replikasyonlarının elde edildiği görülmüştür. Yapılan üretim çalışmaları sonucunda bal peteği numuneler üzerinde modelin alçı ile kalıplanması aşamasında alçı hazırlama ünitesi içerisinde yapılan vakumlama işleminin bir sonucu olarak oluştukları düşünülen çeşitli boyutlarda yuvarlak kabarcıklar (blister) ile karşılaşılmıştır. Öte taraftan mikro yapı incelemelerinde bal peteği numunelerin bazı bölgelerinde çeşitli gözenekler ile karşılaşılmıştır. Üretimi yapılan parçaların mukavemetini etkileyen bu gözeneklerin oluşumunda hidrojen gazı ve çekinti gözenekliliği (shrinkage porosity) olmak üzere iki nedenin etkili olabileceği düşünülmüştür. 400°C, 500°C, 600°C ve 700°C sıcaklığa sahip alçı kalıplar ile yapılan döküm işlemleri sonrası yapılan mikroyapı incelemelerinde, alçı kalıbın sıcaklığı artıkça A356 alüminyum alaşımlarının daha kaba dentritlerden oluştuğu ve ikincil dentrit kolları arası mesafelerin arttığı görülmüştür. Yapılan XRD incelemelerinde yalnızca A356 alüminyum alaşımı kimyasal kompozisyonuna ait alüminyum ve silisyum pikleri görülürken, herhangi yabancı bir faz ile karşılaşılmamıştır. Dereceli hassas döküm yöntemiyle üretilen parçalarda elde edilen ortalama Vickers mikro sertlik değerlerine göre alçı kalıp sıcaklığının numunelerin mekanik özelliklerine etki ettiği belirlenmiş ve elde edilen sonuçlarda 400°C alçı kalıp sıcaklığında dökülen bal peteği numunenin diğer numunelere göre ortalama mikro sertlik değerinin daha yüksek olduğu görülmüştür (79,1 Hv0.1). 500°C, 600°C ve 700°C sıcaklığa sahip kalıba dökülen numunelerin ise sırasıyla 63,6 Hv0.1, 62,4 Hv0.1 ve 65,3 Hv0.1 mikro sertlik değerleri verdiği görülmüştür. Üretilen bal peteği yapıların basma testleriyle elde edilen tüm gerilme – birim şekil değiştirme (%) grafiklerinde öncelikli olarak düşük birim şekil değiştirme (%) değerlerinde elastik (linear elastic) davranış gözlemlenmiş ve daha sonra yaklaşık %70 birim şekil değiştirme değerlerine kadar hemen hemen tüm grafiklerde "hücrelerin/gözeneklerin yıkılması" (plateau stress) eğrisi görülmüştür. Gerilme – birim şekil değiştirme (%) grafiklerinin son bölgesinde ise sabit birim şekil değiştirmeye gidilirken gerilme değerlerinde diklemesine doğru artışın olduğu 'yoğunlaşma bölgesi' (densification region) gözlemlenmiştir. Basma testi verilerinde 6,2 mm hücre çapına sahip düz ve kaydırmalı altıgen geometride bal peteği yapıların, 10,8 mm hücre çapına sahip olanlara göre hem X, hem Y, hem de Z eksenel yönlerde basma gerilmesi değerlerinin daha yüksek olduğu görülmüştür. Diğer taraftan, Z eksenel yönünde yapılan tüm basma testlerinde, X ve Y yönlerinde yapılan testlere göre daha yüksek basma gerilmesi değerleri elde edilmiştir. Yapılan basma testlerinde son olarak, özgün olarak tasarımı yapılan kaydırmalı altıgen geometride bal peteği yapıların, düz altıgen geometride bal peteği yapılara göre basma gerilmesi değerlerinin daha yüksek olduğu görülmüştür.

Abstract:
Nowadays, in order to improve the comfort of life of mankind, their demands and needs are increasing by forcing the limits of existing technologies and products. In the recent years, these increasing demands and needs have enabled the development of new materials and technologies through imitation of nature. Due to their superior properties such as lightness, strength, energy absorption; man-made honeycomb structures which are developed with inspiration by natural honeycomb cellular structures is a constant subject of studies with its potential to be widely used in all areas of life. Honeycomb structures are prismatic cellular materials that consist of layers of thin material connected to each other filling the plane area periodically in two-dimensional order.

Due to their tremendous characteristics such as lightness, rigidity, energy absorption, thermal, sound and acoustic isolation, corrosion resistance, prevention of bacteria and fungus formation, resistance to flame and chemicals, man-made honeycomb structures are widely used as the core materials of the sandwich panels in composite structures. Various parameters play role in determining the characteristics of these unique structures. The parameters that reveal the important properties of honeycomb structures can be classified as the main material type, production method, cell structure, cell geometry, cell layout and topology.

For the production of honeycomb structures, a variety of methods are used including expansion, corrugation and compression molding methods and also direct production used additive manufacturing technologies. Expansion, corrugation and compression molding methods are traditional methods commonly used to produce honeycomb structures. On the other hand, the direct production of honeycomb structures by using three-dimensional printers with additive manufacturing technologies has gained weight because of exterminate the limitations of traditional production approaches. With the production of honeycomb structures by three-dimensional printers cell geometries, cell sizes and cell thicknesses can be changed and wide material options can be utilized.

Additive manufacturing is the production technology in which three-dimensional objects can be produced rapidly by physically adding layer-upon-layer of material slices forming a whole. The additive manufacturing technologies that emerged in the 1980s were also known as rapid prototyping since they were originally used only for prototype production. Although it is known that three-dimensional printers have different titles and classifications in the literature, they can be analyzed under seven main classifications as powder bed laser melting, directed energy deposition, material jetting, binder jetting, material extrusion, sheet lamination and vat photopolimerisation. Even though there are many different additive manufacturing methods, all these methods meet at a common basis. In additive manufacturing methods, three-dimensional design data is created primarily with computer-aided design programs. The created design file is converted to a suitable file format such as ".stl" with software programs. Then, on the basis of the preferred production method, the appropriate device is selected and production is performed by setting parameters. In the selection of the method, the material to be produced, the geometry of the product to be obtained, the mechanical properties of the part, the physical properties such as conductivity and temperature are important parameters.

In this thesis, unlike other known production methods, original design honeycomb structures has successfuly produced first time in Turkey by using investment flask mould casting (loss wax) method after manufacturing of sacrificial pattern mold with additive manufacturing technologies. Investment flask mould casting method is based on the principle of casting of liquid metal instead of the final product wax model coated with gypsum etc. mold materials.

Created design data includes the regular hexagonal (düz altıgen) and offset strip hexagonal (kaydırmalı altıgen) honeycomb structures with various cell diameter and cell wall thicknesses. The term of regular hexagonal honeycomb structures means that the cellular structures that filling the plane area in order periodically with hexagonal prism shaped. The term of offset strip hexagonal honeycomb structures means that the cellular structures (consisting of 5 layers in total and each layer with a height of 10 mm) that filling the plane area with shifted half cell hexagons at each layer. Regular hexagonal and offset strip hexagonal honeycomb designs have cell diameter of 6.2 mm and 10.8 mm and their cell wall thicknesses are 0.8 mm.

In the scope of the thesis study, computer-aided design (CAD) of regular hexagonal and offset strip hexagonal honeycomb structures were performed firstly and these designs were fabricated in a three-dimensional printer having binder jetting technique. The honeycomb wax preform model materials obtained by the three-dimensional printer were molded with gypsum in the vacuum and vibration atmosphere after the tree design have been made, and the casting molds were formed in cylindrical perforated flasks. Afterwards, dewaxing and burnout processes were carried out to the molds in the electrical resistance furnace at normal atmosphere. The casting molds taken from the furnace were placed in the vacuum-supported casting chamber and the space which occured with loss of model wax inside the molds was filled with A356 (AlSi7Mg0.3) aluminum melt metal and so on the casting operations were carried out. After the solidification of the melt metal, casting molds were cleaned from gypsum and the obtained metal structure was leveled. The preform model material obtained from the 3D printer contains Polymethylmethacrylate (PMMA) main powder material including Polypor commercial binder. XRD and TGA analyzes were carried out for the materials used in the study, so their properties and suitability for the production were determined. To determine the properties and to optimize the process parameters of produced honeycomb structures, macro and microstructure investigations were performed with optical microscope (OM) and scanning electron microscope (SEM). After the XRD analysis of produced honeycomb structures, micro hardness and compression tests were performed to determine the mechanical properties of the materials.

In the macro structure examinations, it was observed that regular hexagonal and offset strip hexagonal honeycomb wax preform models fabricated in a three-dimensional printer having binder jetting technique, one-to-one replications were produced by using aluminum alloy based metal structures. After experimental studies, the round blisters of various sizes which thought to be formed as a result of the vacuuming process made in the gypsum preparation unit were observed on the honeycomb samples. On the other hand, various pores were encountered in some parts of microstructures. It was thought that two reasons, hydrogen gas and shrinkage porosity, could be effective in the formation of these pores which could have a detrimental effect on the mechanical properties. In the microstructure investigations, after production with casting molds having a temperature of 400°C, 500°C, 600°C and 700°C, it was observed that as the temperature of the casting mold increased, the A356 aluminum alloys consisted of coarser dendrites and the distances between the secondary dendrite arms increased. In XRD analysis, only aluminum and silicon peaks of chemical composition of A356 aluminum alloy were observed, no foreign phase was encountered. According to the average Vickers micro hardness values obtained on the honeycomb samples produced by flask mould casting method, it was determined that the casting mold temperature had an effect on the mechanical properties of the samples and it was found that the honeycomb sample poured at 400°C casting mold temperature had higher average micro hardness value than the other samples (79,1 Hv0.1). It was observed that the samples poured into the casting molds having temperatures of 500°C, 600°C and 700°C gave micro hardness values of 63,6 Hv0.1, 62,4 Hv0.1 ve 65,3 Hv0.1 respectively. In all stress - strain (%) graphs obtained by compression tests of the honeycomb structures produced, primarily linear elastic behavior was observed at low unit deformation (%) values and in almost all graphs, up to about 70% unit deformation values, the plateau stress curve was observed. In the last region of the stress-strain (%) graphs, while the constant strain was seen and the densification region in which the increase in the stress values perpendicularly was observed. In the compression test data, regular and offset strip hexagonal honeycomb structures with 6.2 mm cell diameter were found to have higher compressive stress values in both X, Y and Z axial directions than those with 10.8 mm cell diameter. On the other hand, in all compression tests in the Z axial direction, higher compressive stress values were obtained than in the X and Y directions. Lastly, compression tests showed that the original design offset strip hexagonal honeycomb structures had higher compressive stress values than the regular hexagonal honeycomb structures.