Seçici lazer ergitme işlemindeki ısı transfer modelinin geliştirilmesi
Development of the heat transfer model in the selective laser melting process
Yazar: KORHAN ÖKTEN
Danışman: PROF. DR. ATİLLA BIYIKOĞLU
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu çalışmada, toz malzemelerin üretim sürecinde kullanılan proses parametrelerinin seçici lazer eritme yöntemi ile belirlenmesine yönelik olarak 3-B zamana bağlı matematiksel bir model geliştirilmiştir. Çalışma kapsamında, Seçici Lazer Ergitme (SLE) yöntemi ile imalat sürecinde parça içerisinde oluşan sıcaklık dağılımı ve eriyik havuzu geometrisinin değişimi, işletim parametrelerinin etkisi altında incelenmiştir. Problem geometrisi, toz katman bölgesi, eriyik havuzu ve işleme sonucu oluşan katı bölgeyi içerecek şekilde yarım silindirik seçilmiştir. Laser kaynaklı ısı üretiminin geometri içerisinde olduğu düşünülerek 3B zamana bağlı non-homojen ısı denklemi, üç ardışık süreç – x-y düzleminde 2B kararlı durum ısı transferi, x-y düzleminde 2B zamana bağlı ısı transferi ve y-z düzleminde z-yönünde 1B zamana bağlı ısı transferi için tanımlanarak kartezyen koordinat sistemi üzerinde analitik olarak çözülmüştür. Analitik çözüm "Eigen fonksiyon açılım", "değişkenlerin ayrıklaştırılması" ve "değişken değiştirme" metodları kullanılarak elde edilmiştir. Geliştirilen analitik modelin doğrulaması, Ti6V4 malzemesi kullanılarak SLE metodu ile parça üretimi için literatürde mevcut deneysel veriler kullanılarak gerçekleştirilmiştir. 20-80 W ile 100-250 W aralıklarındaki lazer güç uygulamalarına yönelik parametrik çalışma gerçekleştirilerek farklı lazer gücü, lazer çapı ve metal tozu katman kalınlığı için sıcaklık dağılımları ve faz geçiş geometrileri belirlenerek kıyaslamalı olarak analizler gerçekleştirilmiştir. Çalışmanın sonuçları göstermektedir ki, kurgulanan model, mevcut analitik modellere nazaran tahmin doğruluğu yüksek, çözüm süresi düşük ve çoklu taramaya uygundur.

Abstract:
In this study, a 3-D time-dependent mathematical model has been developed to determine the process parameters used in the production process of powder materials by the selective laser melting method. Within the scope of the study, the temperature distribution, and the change of the melt pool geometry during the manufacturing process with the Selective Laser Melting (SLM) method were investigated under the influence of operating parameters. The problem geometry has been chosen to be semi-cylindrical, including the powder layer region, the melt pool, and the solid region formed because of the machining. Considering that laser-induced heat generation was in geometry, the 3D time-dependent non-homogeneous heat equation was defined for three consecutive processes - 2D steady-state heat transfer in the x-y plane, 2D time-dependent heat transfer in the x-y plane, and 1D time-dependent heat transfer in the z-direction in the y-z plane and analytically solved on the Cartesian coordinate system. The analytical solution was obtained by using "Eigenfunction expansion", "separation of variables" and "change of variables" methods. The verification of the developed analytical model was carried out using the experimental data available in the literature to produce parts by the SLM method using Ti6V4 material. The parametric study was carried out for laser power applications in the range of 20-80 W to 100-250 W, and comparative analyzes were performed by determining temperature distributions and phase transition geometries for different laser power, laser diameter, and metal powder layer thickness. The results of the study show that the designed model has high prediction accuracy, low solution time and is suitable for multiple scanning compared to existing analytical models.