Eklemeli imalatta hibrit yapıların topoloji optimizasyonu
Topology optimization of hybrid structures in additive manufacturing
Yazar: FEHMİ MUTLU
Danışman: PROF. DR. MEHMET CENGİZ KAYACAN
Süleyman Demirel Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Topoloji optimizasyonu = Topology optimization ; Yapı optimizasyonu = Structural optimization

Özet:
Günümüzde enerji tasarrufu veya verimliliği ile ilgili konular, küresel ısınma problemlerinin artmasıyla gittikçe artan bir çalışma alanı haline gelmiştir. Verimsiz enerji tüketimi, küresel ısınma problemlerinin artmasındaki en önemli sebepler arasında yer almaktadır. Bu bağlamda enerji tasarrufu veya verimliliği üzerine pek çok mühendislik çalışmaları gerçekleştirilmektedir. Bu çalışmalardan biri de daha hafif tasarımların üretilmesi için yapılan yapısal optimizasyon çalışmalarıdır. Topoloji ve kafes yapı optimizasyonları da bu yapısal optimizasyon çalışmalarındandır. Topoloji ve kafes yapı optimizasyonları, doğası gereği karmaşık yapılardır. Bu karmaşık yapıları geleneksel imalat yöntemleri ile imalatı pek mümkün olmayabilir. Bu sebeple tasarımcılar yapısal optimizasyon çalışmalarına imal edilebilirlik sınırları getirilmekte ve bu da optimizasyonun verimini düşürmektedir. Eklemeli imalat (Eİ) teknolojilerinin gelişmesiyle birlikte yapısal optimizasyon çalışmalarının da verimliliği artmıştır. Karmaşık yapılı tasarımların Eİ teknolojileri ile imalatı mümkün olabilmektedir. Yapısal optimizasyon çalışmalarının verimliliğini etkileyen önemli bir diğer husus ise malzeme yoğunluğunun tüm tasarım içerisinde sabit kalmasıdır. Sabit yoğunluklu topoloji optimizasyonu, tasarım içerisindeki kütle azaltma oranını düşürmektedir. Özellikle topoloji optimizasyon çalışmalarında, tasarım içerisinde değişken yoğunluklu bir optimizasyon çalışması, optimizasyonun verimliliğini daha da arttırmaktadır. Kafes yapıların topoloji optimizasyon çalışmalarına eklenmesi, değişken yoğunluklu bir optimizasyon sağlamaktadır. Bu tez çalışmasında, Eİ göre topoloji ve kafes yapı optimizasyonu içeren hibrit bir yapının optimizasyonu, sonlu elemanlar analizi (SEA) ve deneysel olarak gerçekleştirilmiştir. Hibrit yapının elde edilmesi için,  katı topoloji ve kafes yapı üzerinde SEA yardımıyla iki ayrı yapısal optimizasyon çalışması yürütülmüştür.  Yürütülen optimizasyon çalışmalarında, AlSi10Mg malzemenin akma dayanımında, en hafif optimum yapılar belirlenmiştir. Katı topolojili tasarımın düşük gerilmeli ara yoğunluklu bölgelerine optimum kafes yapıları eklenmiştir. Böylece topoloji optimizasyonundan daha hafif, değişken yoğunluklu hibrit yapılı bir optimizasyon çalışması gerçekleştirilmiştir. Tezde ileri sürülen hibrit yapılı optimizasyon yaklaşımı bir helikopter ana iniş takımı parçasına uygulanmıştır. Ayrıca tez çalışmasında SEA yardımıyla kafes yapıların enerji emilim optimizasyonu ve ısıl işlemin yapısal optimizasyona etkisi de araştırılmıştır. SEA çalışmasıyla elde edilen optimum parametreli katı topoloji, kafes ve hibrit yapılı tasarımların numuneleri, Eİ teknolojilerinden olan seçici lazer ergitme (SLE) yöntemiyle AlSi10Mg malzemeden imal edilmiştir. İmal edilen numuneler üzerinde mekanik testler ve metalografik çalışmalar yapılarak elde edilen bulgular, SEA ve literatürle karşılaştırılması yapılmıştır.

Abstract:
Today, issues related to energy conservation or efficiency are an increasing field of study with the increasing global warming problems. Inefficient energy consumption is one of the main reasons for the increase of global warming problems. In this context, many engineering studies are carried out on energy conservation or efficiency. One of these studies is structural optimization studies to produce lighter designs. Topology and lattice structure optimizations are among these structural optimization studies.Topology and lattice structure optimizations are inherently complex structures. It is may not be possible to manufacture this complex structures using conventional manufacturing methods. As a result, designers impose manufacturability constraints on structural optimization studies, which reduces the efficiency of the optimization. With the development of additive manufacturing (AM) technologies, the efficiency of structural optimization studies has increased. It is possible to manufacture complex designs with AM technologies. Another important issue that affects the efficiency of structural optimization studies is that the material density remains constant throughout the design. Topology optimization with constant density reduces the mass reduction ratio in the design. Especially in topology optimization studies, an optimization study with variable density within the design increases the efficiency of the optimization even more. Adding lattice structures to topology optimization studies provides variable density optimization. In this thesis, the optimization of a hybrid structure including topology and lattice structure optimization according to AM is carried out by finite element analysis (FEA) and experimentally. In order to obtain the hybrid structure, two separate structural optimization studies were performed on the solid topology and lattice structure using FEA.  In the optimization studies, the lightest optimal structures were determined for the yield strength of the AlSi10Mg material. Optimal lattice structures were added to the low stress intermediate density regions of the solid topology design. Thus, a hybrid variable density structure optimization study was performed, which is more light than topology optimization. The hybrid structure optimization approach proposed in the thesis was applied to a helicopter main landing gear part. In addition, the energy absorption optimization of lattice structures and the effect of heat treatment on structure optimization were also investigated using FEA. The specimens of solid topology, lattice and hybrid structure designs with optimum parameters obtained from the FEA study were manufactured from AlSi10Mg material by selective laser melting (SLM) method, one of the AM technologies. Mechanical tests and metallographic studies were carried out on the manufactured specimens and the results compared with FEA and the literature.