Eklemeli imalat için eş zamanlı proses parametre ve topoloji optimizasyonu
Concurrent topology and process parameters optimization for additive manufacturing
Yazar: İSTEMİHAN GÖKDAĞ
Danışman: PROF. DR. ERDEM ACAR
TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Eklemeli imalat (Eİ) teknolojisinin gelişmesi ile topoloji optimizasyonu (TO) kullanılarak tasarlanan karmaşık geometriler üretilebilmektedir. Havacılık endüstrisi gibi ağırlığın kritik olduğu sektörlerde, tasarımların mekanik isterleri sağlaması ve ağırlığının optimize edilmesi oldukça önemlidir. Bu çalışma kapsamında, Seçici Lazer Ergitme (SLE) yöntemi kullanılarak 9 farklı proses parametre seti ile AlSi10Mg malzemesine sahip numuneler üretilmiştir. Üretilen numunelerin mikroyapı görselleri taramalı elektron mikroskobu (TEM) yardımı ile elde edilmiştir. Mikroyapı görüntüleri kullanılarak, eriyik havuz boyutları, ötektik Si hücre boyutları ve Si çökelti boyutları ölçülmüştür. Ölçülen sonuçlar kullanılarak proses parametreleri ile hücre boyutları ve Si çökelti boyutları arasında parametrik ilişkiler kurulmuştur. Oluşturulan parametrik denklemler, Hall-Petch ve Orowan mukavemetlendirme mekanizmalarına entegre edilerek AlSi10Mg malzemesinin akma dayanımı ile proses parametreleri arasında bir ilişki kurulmuştur. Oluşturulan denklemler ile hesaplanan akma dayanımı sonuçları, nano-indentasyon testleri ile elde edilen akma dayanımı sonuçları ile karşılaştırılmıştır. 
Deneysel sonuçlar ile doğrulanan parametrik akma dayanımı modeli, tasarım problemlerine entegre edilmiştir. Tasarım uygulama problemleri olarak ankastre kiriş, MBB kirişi ve L braket tasarımı problemleri çözülmüştür. Her bir tasarım problemi, geleneksel topoloji optimizasyonu (GTO), yapısal topoloji optimizasyonu (YTO), ardışık proses parametre ve topoloji optimizasyonu (APPTO) ve son olarak eş zamanlı proses parametre ve topoloji optimizasyonu (EPPTO) olmak üzere 4 farklı yöntem ile çözülmüştür. Geliştirilen EPPTO yöntemi ile lazer gücü, tarama hızı ve topoloji aynı anda minimum maliyet amaçlanarak optimize edilmiştir. Ankastre kiriş ve MBB kiriş tasarım problemlerinin çözülmesi ile orta ölçekli tasarım problemlerine başarılı bir şekilde uygulanabilirliği kanıtlanan EPPTO yöntemi, son olarak havacılık endüstrisinde sıklıkla kullanılan L braket tasarımına uygulanmıştır. EPPTO yöntemi ile elde edilen sonuçlar, GTO sonuçları ile kıyaslandığında, ankastre kiriş, MBB kirişi ve L braket tasarımları için sırasıyla %18, %20 ve % 17 oranında toplam maliyetin azaltıldığı belirlenmiştir. Tüm tasarım problemlerinin sonuçları incelendiğinde, EPPTO yöntemi ile ağırlık, yapısal ve enerji yoğunluğu isterlerini sağlayan optimum üretim parametreleri ve topoloji elde edilerek, diğer TO yöntemlerine göre en düşük maliyet değerleri elde edilmiştir.

Abstract:
Owing to the development of additive manufacturing (AM) technology, complex geometries designed with topology optimization (TO) can be easily produced without any additional cost. In sectors where the weight is critical, such as the aviation industry, it is significant that the designs meet the mechanical requirements and are optimized for minimum weight. In this study, AlSi10Mg specimens are manufactured using Selective Laser Melting (SLM) method with 9 different process parameter sets. Microstructure images of the manufactured specimens are obtained by scanning electron microscope (SEM). Sizes of melt pools, eutectic Si cells and Si precipitates are measured using the images. Parametric equations are generated between process parameters and eutectic Si cell size and Si precipitate size. Thus, a relationship is established between the yield strength of AlSi10Mg material and the process parameters by integrating the generated parametric equations into Hall-Petch and Orowan strengthening mechanisms. The yield strength results calculated with the parametric equations are compared with the yield strength results obtained by nano-indentation.
The parametric yield strength model, validated by the experimental results, is integrated into the design problems. Cantilever beam, MBB beam and L bracket design problems are solved as design application problems. Each design problem is solved by using 4 different methods: conventional TO, structural TO, sequential process parameters and TO, and finally, concurrent process parameters and TO (CPPTO). Laser power, scanning speed and topology of the structure are optimized simultaneously to minimize cost by using the developed concurrent process parameters and TO method. The CPPTO method, which has been successfully proven to be applicable to medium-sized design problems by solving the cantilever beam and MBB beam design problems, is finally applied to the L bracket design, which is frequently used in the aviation industry. It is found that the CPPTO method leads to 18%, 20% and 17% more total cost reduction compared to the GTO method. When the results of all design problems are investigated, it is observed that the optimum process parameters and topology that met the weight, structural and energy density requirements are obtained with the CPPTO method, and thereby the lowest cost values are obtained (compared to other TO methods).