Eklemeli imalat ile üretilen parçaların imalat parametrelerinin geometrik toleranslara etkisinin araştırılması
Investigation of the effect of manufacturing parameters on geometric tolerances of parts produced by additive manufacturing
Yazar: YUSUF SİYAMBAŞ
Danışman: DOÇ. DR. YAKUP TURGUT
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İmalat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu çalışmada, AlSi10Mg alaşımının seçici lazer ergitme (SLM) yöntemi ile eklemeli imalatında, imalat parametrelerinin mekanik özellikler, yüzey pürüzlülüğü ve geometrik toleranslar üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Bu amaçla ilk olarak, hacimsel enerji yoğunluğunun mekanik özellikler ve yüzey pürüzlülüğü üzerinde etkilerine odaklanılmış ve farklı hacimsel enerji yoğunluklarında test parçaları üretilmiştir. Parçaların üretimi Taguchi L9 ortogonal dizi deney tasarımına göre yapılmıştır. İmalat parametreleri olarak, üç farklı lazer gücü (250-300-350 W), üç farklı tarama hızı (900-1000-1100 mm/s), üç farklı tarama aralığı (0,17-0,19-0,21 mm) ve sabit katman kalınlığı (0,03 mm) değerleri kullanılmıştır. Çalışma sonucunda, 68,62 J/mm3 ve 36,07 J/mm3 hacimsel enerji yoğunluklarında üretilen numunelerin mekanik özelliklerinin azaldığı ve yüzey pürüzlülüğünün arttığı gözlenmiştir. Ürün kalitesindeki bu düşüş yüksek ve düşük hacimsel enerji yoğunluklarında oluşan kusurlarla ilişkilendirilmiştir. Üretilen parçalardaki en düşük gözeneklilik seviyesi, mekanik özellikler için 55,82 J/mm3 ve yüzey pürüzlülüğü için 54,46 J/mm3 hacimsel enerji yoğunluğunda elde edilmiştir. Bu hacimsel enerji yoğunluklarında en yüksek mekanik özellikler ve en düşük yüzey pürüzlülüğü elde edilmiştir. Mekanik özellikler ve yüzey pürüzlülüğü için Taguchi tabanlı Gri ilişkisel analiz yöntemi ile çoklu yanıt optimizasyonu yapılmıştır. Deneysel sonuçlara göre, AlSi10Mg alaşımının eklemeli imalatı için en uygun imalat parametreleri 350 W lazer gücü, 1100 mm/s tarama hızı 0,19 mm tarama aralığı ve bu parametrelerin birleşimi olan 55,82 J/mm3 hacimsel enerji yoğunluğu olarak elde edilmiştir. Daha sonra belirlenen bu hacimsel enerji yoğunluğu esas alınarak, geometrik toleransların araştırılmasında kullanılan parçalar üretilmiştir. Parçaların üretimi on iki farklı lazer gücü ve tarama hızı ile sabit tarama aralığı ve katman kalınlığında gerçekleştirilmiştir. Çalışma sonucunda geometrik tolerans değerleri, yüksek ve düşük tarama gücü/tarama hızı kombinasyonlarında yüksek sapma ile sonuçlanmıştır. Geometrik toleransların araştırılmasında kullanılan delik konumları, delik çap ölçüsü, açısallıktan sapma, diklikten sapma, düzlemsellikten sapma ve paralellikten sapma gibi performans özellikleri için en düşük sapma miktarları 250/785-310/974 tarama gücü/tarama hızı imalat parametreleri aralığında elde edilmiştir. Bu değerler, imalat parametrelerinin orta değerleridir. Deneysel olarak elde edilen delik çap ölçüsü, açısallıktan sapma, diklikten sapma, düzlemsellikten sapma ve paralellikten sapma gibi performans çıktıları için bir bulanık mantık modeli oluşturulmuştur. Oluşturulan bulanık mantık modeli ile eklemeli imalat sürecinde geometrik tolerans göstergelerinin başarılı bir şekilde tahmin edilebileceği görülmüştür.

Abstract:
In this study, the effects of manufacturing parameters on mechanical properties, surface roughness, and geometric tolerances were investigated in the additive manufacturing of AlSi10Mg alloy by the selective laser melting (SLM) method. For this purpose, the effects of volumetric energy density on mechanical properties and surface roughness were focused, and test pieces were produced with different volumetric energy densities. The parts were fabricated according to the Taguchi L9 orthogonal array experimental design. As manufacturing parameters, three different laser power (250-300-350 W), three different scanning speeds (900-1000-1100 mm/s), three different hatching distance  (0.17-0.19-0.21 mm), and constant layer thickness (0.03 mm) values are used. As a result of the study, it was observed that the mechanical properties of the samples produced at volumetric energy densities of 68.62 J/mm3 and 36.07 J/mm3 decreased, and the surface roughness increased. This decrease in product quality has been associated with defects occurring at high and low volumetric energy densities. The lowest level of porosity in the produced parts was obtained at the volumetric energy density of 55.82 J/mm3 for mechanical properties and 54.46 J/mm3 for surface roughness. The highest mechanical properties and lowest surface roughness were obtained at these volumetric energy densities. Multiple response optimization was performed with the Taguchi-based Grey relational analysis method for mechanical properties and surface roughness. According to the experimental results, the most suitable fabrication parameters for additive manufacturing of AlSi10Mg alloy were obtained as 350 W laser power, 1100 mm/s scanning speed, 0.19 mm hatching distance and 55.82 J/mm3 volumetric energy density, which is the combination of these parameters. Then, based on this determined volumetric energy density, parts used in the investigation of geometric tolerances were produced. The production of the parts was carried out with twelve different laser powers and scanning speeds, with a constant hatching distance and layer thickness. As a result of the study, geometric tolerance values resulted in high deviation in combinations of high and low scan power/scan speed. The lowest deviation amounts for performance properties such as hole positions, hole diameter size, deviation from angularity, deviation from perpendicularity, deviation from flatness and deviation from parallelism, which are used in the investigation of geometric tolerances, were obtained in the range of 250/785-310/974 scanning power/scanning speed manufacturing parameters. These values are the middle values of the manufacturing parameters. A fuzzy logic model was created for the experimentally obtained performance outputs such as hole diameter size, deviation from angularity, deviation from perpendicularity, deviation from flatness, and deviation from parallelism. It has been seen that geometric tolerance indicators can be successfully predicted in the additive manufacturing process with the created fuzzy logic model.