Katmanlı imalat yöntemiyle üretilen kum döküm kalıplarının mekanik özelliklerine baskı parametrelerinin etkilerinin incelenmesi
Investigation of the effects of printing parameters on the mechanical properties of sand casting molds produced by additive manufacturing method
Yazar: İBRAHİM ASLAN
Danışman: DOÇ. DR. AHMET CAN
Necmettin Erbakan Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Günümüzde, döküm sanayisinde kullanılan geleneksel döküm yönteminde, öncelikle model üretimi, modelden kalıp üretimi, sonrasında ise kum kalıptaki boşluğa eriyik malzemenin dökülüp katılaşmasıyla döküm parçalar üretilmektedir. Ancak, bu yöntem ile karmaşık veya içi boş parçaların üretimi zordur. Diğer taraftan model maliyetlerinin yüksek olması ilk yatırım maliyetlerini de artırmaktadır.  Bu sebeple, model gerekmeksizin direkt kalıp ve maça üretimi ile karmaşık geometrili, içi boş parçaların dahi dökümünün yapılarak üretilmesi mümkün kılınabilecek 3 boyutlu yazıcının kullanımı önem kazanmaktadır. Bu çalışmada kartuş ile püskürtme metoduna alternatif olarak geliştirilen yeni bir nozul sistemine sahip bağlayıcı püskürtmeli 3 boyutlu yazıcının özgün tasarımı yapılarak imal edilmiştir. 3B yazıcı; ana şase, kum serici ve püskürtme olmak üzere 3 kısımdan oluşmaktadır. Kum kalıp üretiminde kullanılan sarf malzemeler ise silis kumu, furan reçinesi ve katalizörüdür. İmal edilen 3 boyutlu yazıcıda daha ucuz, hassas ve kaliteli döküm parçalarının üretiminin sağlanması için farklı baskı parametrelerinde (baskı kafası ilerleme hızı, katalizör oranı, kum tane boyutu) kum kalıplar basılmıştır. Son olarak ise bağlayıcı püskürtmeli 3 boyutlu yazıcıda basılan kalıpların gözeneklilik, basma, eğme, boyutsal doğruluk, gaz geçirgenliği, yanma testi ve SEM analizi yapılarak farklı baskı parametrelerinin bu özelliklere etkileri incelenmiştir. Ayrıca, gerçek ölçülerde kum kalıp modellenerek Ansys programında hidrostatik basınç analizi yapılarak sonuçlar incelenmiştir. Yapılan testler sonucunda, farklı baskı parametrelerinde üretilen numunelerin basma dayanımı 0,0472 MPa-0,6471 MPa aralığında, gaz geçirgenliği 150 GP-180 GP aralığında, gözeneklilik oranı %38,69-%56,65 aralığında, eğme dayanımı 0,0301 MPa-0,3844 MPa aralığında, yanma kaybı oranı ise %3,06-%7,39 aralığında bulunmuştur. Çalışma sonucunda üretilen parçaların, kum kalıp olarak kullanılması için yeterli mekanik özelliklere sahip olduğu görülmüştür. Bu yazıcı, mevcut ticari yazıcılara nazaran oldukça düşük ilk yatırım ve sarf malzeme maliyetine sahiptir. Bu çalışmayla, döküm sektöründe özellikle özel tasarım veya prototip ürünlerin dökülebilmesi için gerekli kum kalıp üretiminde faydalı olacağı düşünülen bu yazıcının başarılı bir şekilde üretimi ile birlikte yerlileşme için de adımlar atılmıştır.

Abstract:
Today, in the traditional casting method used in the casting industry, firstly model production, mold production from the model, then casting parts are produced by pouring the molten material into the cavity in the sand mold and solidifying. However, it is difficult to manufacture complex or hollow parts with this method. On the other hand, high model costs increase the initial investment costs. For this reason, the use of a 3D printer, which makes it possible to produce molds and cores directly without the need for a model, and by casting even hollow parts with complex geometries, gains importance. In this study, a binder jetting 3D printer design with a new nozzle system developed as an alternative to the spraying with cartridge method has been produced. 3D printer; It consists of 3 parts, the main chassis, the sand spreader and the spraying. Consumables used in sand mold production are silica sand, furan resin and catalyst. Sand molds were printed with different printing parameters (printhead feed rate, catalyst ratio, sand grain size) in order to produce cheaper, precise and high quality casting parts on the 3D printer. Finally, porosity, compression, bending, dimensional accuracy, gas permeability, loss on ignition test and SEM analysis of the molds printed on the 3D printer were performed and the effects of different printing parameters on these properties were examined. In addition, real size sand molds were modeled and hydrostatic pressure analysis was performed in Ansys program, and the results were examined. According to the test results, the compressive strength of the the samples was found in the range of 0,0472 MPa-0,6471 MPa, the gas permeability was found in the range of 150 GP-180 GP, the porosity ratio was found in the range of %38,69-%56,65, the flexural strength was in the range of 0,0301 MPa-0,3844 MPa, the loss on ignition rate was in the range of %3,06-%7,39 for the samples produced. As a result of the study, it was seen that the produced parts had sufficient mechanical properties to be used as sand molds. This printer has very low initial investment and consumable costs compared to existing commercial printers. With this study, steps were taken for domestic production with the successful production of this printer, which is thought to be useful in the production of sand molds required for casting special design or prototype products in the casting industry.