Thermal modelling of variable process parameter effects in electron beam powder bed fusion process
Elektron ışını ile toz yatağında füzyon prosesinde değişken parametre etkilerinin termal modellenmesi
- Tez No: 1003165
- Danışmanlar: DOÇ. DR. EMRECAN SÖYLEMEZ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
EBM gelecek vaat eden bir eklemeli üretim süreci olmasına rağmen, yüksek maliyeti, deneme yanılma olmaksızın doğru ve verimli üretimi gerektirir. Elektron Işınıyla Eritme (EBM), değişken ve bilinmeyen proses parametreleri nedeniyle termal modellemeye önemli engeller oluşturan zorlu bir eklemeli üretim sürecidir. Toz yataklı sistemlerde üretim sürecine etki eden katman kalınlığı, ışın çapı veya toz yoğunluğu gibi bir çok parametre vardır. Ancak prosesin doğru termal modellemesi için, tarama hızı ve tarama gücü gibi birincil proses parametrelerinin üretim sırasında ışın kontrol fonksiyonları tarafından nasıl düzenlendiğinin anlaşılmasını gereklidir. Bu çalışma, değişken bilinmeyen proses parametreleri nedeniyle önemli termal modelleme engelleri oluşturan elektron ışını eritme (EBM) eklemeli imalat sürecini araştırmaktadır. Tarama hızı ve tarama gücü gibi birincil işlem parametreleri, üretim sırasında ışın kontrol fonksiyonları tarafından düzenlenir. Akım kompanzasyonu, hız, kalınlık ve dönüş noktası fonksiyonlarını içeren dört kontrol fonksiyonunun rolleri, değişen tarama vektör uzunlukları ve kalınlıkları ile çok katmanlı ve tek katmanlı deneyler yoluyla araştırıldı. Bu deneylerden hızlı çekim yapan kamera, cihaz içinde bulunan kamera ve mikroskop yardımıyla ölçümler alındı. Sonuçlar, süreç boyunca tarama hızı, tarama gücü ve inşa stratejisi hakkında fikir vererek, parçalar üzerindeki sıcaklık dağılımını simüle eden parça ölçeğinde bir termal modelin geliştirilmesine olanak sağladı. Üretim sırasında meydana gelen karmaşık fiziksel süreçleri anlamak için, EBM sürecinin termal modellemesi esastır. Ne yazık ki, güvenilir EBM modelleri oluşturmak zordur. EBM'nin unsurları arasında ısı transferi fiziği, toz yatağı davranışı ve malzeme özellikleri bulunur. Ek olarak, EBM, üretim sürecinde değişebilen tarama gücü ve tarama hızı gibi süreç faktörlerine büyük ölçüde bağımlıdır. Dünya çapında kurulu EBM sistemlerinin çoğu Arcam EBM makineleridir. Optimum işlem stratejileri kullanıcılar tarafından bilinmediği için bu sistemler kara kutu sistemleri olarak da adlandırılır. Kendi özel tozları veya yeni malzemeleri için yeni süreçler tasarlamak isteyen kullanıcılar, süreç özelliklerinin farkında olmalıdır. İyi araştırılmış Ti-6Al-4V alaşımı için bile, tarama hızı ve tarama gücü gibi temel işlem parametreleri, istenen sonuçları elde etmek için işlemin doğru bir termal modeli için gereklidir. Bu faktörler, makine yazılımının kontrol işlevleri tarafından sürekli olarak ayarlanır ve değiştirilir; bu da, termal modelleme kullanılarak sabit işlem parametreleriyle bileşen ölçeği sonuçlarının tahmin edilmesini zorlaştırır. Elektron ışını eritme stratejisi, lazer ışını toz yatağı füzyon stratejisinden (L-PBF) daha karmaşıktır. EBM makinesinin değişken tarama gücü ve tarama hızı, uyarlanabilir süreç parametresi stratejisinin bir sonucudur. Bu yöntem, işlem boyunca sabit bir eriyik havuzu boyutunu korumaya çalışır, bu da gözeneksiz ve azaltılmış termal gerilimlere sahip bir bileşenle sonuçlanır. Akım dengeleme işlevi, hız işlevi, kalınlık işlevi ve dönüş noktası işlevi, yaklaşmayı kontrol eden dört ana işlevdir. Çalışmanın ilk aşamasında, EBM üretimi sırasında kontrol fonksiyonlarının tarama gücünü ve tarama hızını nasıl etkilediğini belirlemek için dört deney yapılmıştır. İlk deneyde piramit şeklinde bir yapı inşa edilmiştir. Bu yapı üzerindeki farklı tarama boyları sayesinde farklı tarama boyları için veri elde edilmiştir. İlk deney esnasında hem hızlı çekim yapabilen kameradan hem de cihaz içerisindeki kameradan ölçümler alınmıştır. Bu sayede bir katman üzerinde geçirilen zaman ve o katman üzerindeki toplam tarama boyu hesaplanarak ortalama tarama hızı çıkarılmıştır. Ayrıca bu deneye ait cihazın kayıt dosyası da incelenmiştr. İnceleme sonucu tarama hızı ile ilgili bir veri bulunmamasına karşın tarama akımı değerleri buradan çekilmiştir. Tarama sabit bir gerilim ile gerçekleştiğinden dolayı tarama akımı değerini prosesi asıl etkileyen parametre olan tarama gücüne çevirmek mümkündür. Bu sayede bu deney ile farklı tarama boyları için tarama gücü ve tarama hızı değerleri belirlenmiş oldu. Bu deneylere paralel olarak akım kompanzasyonu ve hız fonksiyonu kullanılarak deneylerdeki tarama boyları için akım ve hız değeri hesaplandı. Akım kompanzasyonu ile ilgili ilişki literatürden alınırken hız fonksiyonu ile ilgili böyle bir bağıntı literatürde bulunmamaktadır. Bu sebeple literatürde daha önce yapılmış deneyler değerlendirilmiştir ve bu çalışmaya özgü olarak bir bağıntı çıkarılmış ve hız hesabında bu bağıntı kullanılmıştır. Ölçüm sonuçları yapılan tahminlerle değerlendirilmiştir ve ikisi arasında bir uyum olduğu, sonuçların doğru tahmin edilebildiği görülmüştür. İkinci deneyde prizmatik bloklar kalınlık fonksiyonunun etkisini ortaya koyacak şekilde taranmıştır. Kalınlık fonksiyonu yalnızca parçanın askıda kalan bölgelerde veya başka bir deyişle tarama bölgesinin altında toz varken devreye giren bir fonksiyondur. Malzemenin toz halinin iletim katsayısı katı ve bütün halindekinden çok daha düşük olduğundan dolayı toz iyi bir ısı iletkeni değildir. Bu sebeple parçanın toz olan kısma yakın olan bölgeleri taranırken buralarda bir ısıl birikme oluşabilir. Kalınlık fonksiyonunun amacı bu bölgelerdeki ısı birikimini azaltmaktır. Bunu yaparken yalnızca tarama hızını değiştirir. Tarama hızı değiştiğinden dolayı tarama yapılan bölgedeki enerji yoğunluğu azalacaktır ve bu şekilde daha homojen bir termal dağılım elde edilir. Tarama inşa yönünde yükseldikçe bu etki yavaş yavaş ortadan kaybolur. Bu sebeple askıda olacak şekilde geometriler cihaz üretim dosyasına yetleştirilmiştir ve bu etkinin durumu tarama hızları ölçülerek değerlendirilmiştir. Üçüncü deneyde tek çizgi taramalar yapılmıştır. Bu taramalar yapılırken sayineye 1000 kare çekim kabiliyetine sahip bir kamera kullanılmıştır. Tarama hızları göz önünde bulundurularak yapılan değerlendirme sonucu bu çekim hızının ölçüm yapmak için yeterli hasssasiyeti sağlayacağı görülmüştür. Bu deneyde yine 5 mm ile 62,5 mm arasındaki tarama boyları için taramalar tek çizgi halinde toplamda 4 kez tekrarlanmıştır. 2 farklı set tarama da kalınlık fonksiyonunun etkisini oraya koymak için planlanmıştır. Bu etki altında tarama çizgileri elde etmek amacıyla inşa dosyasında bu çizgiler 1 katman yukarı yerleştirilmiştir ve bu şekilde taramalar gerçekleştirilmiştir. Yapılan ölçümler sonucu, beklendiği üzere kalınlık fonksiyonu etkisindeki tarama çizgileri için cihazın kullandığı tarama hızı değeri bu fonksiyonun etkin olmadığı çizgilerden daha yüksektir. Bu fonksiyonun en etkin olduğu durum üzerinden alınan ölçümler, yapılan tahminlerle karşılaştırılmıştır. Dördüncü deneyde dönüş noktası fonksiyonunun etkisi incelenmiştir. Dönüş noktası fonksiyonu taramaların başlangıçlarında oluşan ısıl birikimi engellemeyi amaçlamaktadır. Bu birikimin sebebi ise izlenen tarama stratejisidir. Tarama stratejisi gereği her bir tarama çizgisinin başlangıcı, bir önceki tarama çizgisinin sonuna çok yakın olmaktadır. Bu sebeple tarama başladığında taranan bölge normale göre daha sıcak olmaktadır. Bu durum ergi havuzu boyutunda bir dengesizliğe ve farklılığa sebep olabilir. Bunu engellemek amacıyla başlangıç bölgelerinde hız bir miktar düşürülür ve başlangıç noktasından uzaklaştıkça bu etki ortadan kaybolur. Bu etkiyi orataya koyabilmek için bu fonksiyonun aktif olduğu ve olmadığı 2 farklı diktörtgen tek katman halinde taranmış ve ortalama hızlar ölçülmüştür. Bu ölçümler yapılan tahminlerle hız bakımından karşılaştırılmıştır. Ayrıca literatürde bulunan, bu etkinin 3 mm boyunca devam ettiği ile ilgili varsayım da doğrulanmıştır. Deneysel bulgular göz önüne alındığında, bu çalışmada sunulan kontrol fonksiyonu tahminleri maksimum %13 hataya sahiptir ve oldukça doğrudur. Bu, araştırmacıların küçük ölçekte hassas bir termal model oluşturmasına olanak tanımaktadır. Tez çalışmasının ikinci aşamasındaki termal modelleme çalışmlarında bu ölçümlerden faydalanılmıştır. Modelleme çalışmaları tek çizgi modellemesi, ara parametre modeli oluşturulması ve parça ölçeğinde termal model olmak üzere 3 aşamada ele alınmıştır. Bu sayede hem parça ölçeğinde oluşabilecek üretim hatalarının öngörülebilmesi amaçlanmıştır hem de ergi havuzu ölçeğinde değişen proses parametre etkileri hesaba katılmıştır. Her bir parametre seti için birbirinden farklı ara parametre modelleri geliştirilmiştir ve üretilecek parçalar uygun şekilde bölünerek her bir bölümün doğru parametre ile modellenmesi sağlanmıştır. Bu şekilde aşamalı olarak kurgulanmış model, parça ölçeğinde de olsa kısa sürede sonuç alma imkanı tanımaktadır. Modelleme çalışmasında öncelikle model parametreleri tek çizgi deneyleri ile kalibre edilmiş ve kalibre edilmiş model kullanılarak parça ölçekli bir model geliştirilmiştir. Kalınlık fonksiyonu etkisi olan ve olmayan tarama çizgileri için eriyik havuzu boyutlarını doğru bir şekilde kalibre etmek için değişken goldak parametreleri kullanılmıştır. Goldak modeline ait parametreler değişen tarama boyuna bağlı olacak şekilde en doğru ergi havuzu genişlik ve derinlik değerini verecek şekilde kalibre edilmiştir. Parça ölçekli çalışmada, 3 farklı parça türü seçilmiştir. İlk parça bir kiriş parçasıdır ve 4 farklı destek yapısı tipinin kirişin deformasyonuna olan etkisi incelenmiştir. Bu parçalar ve destek yapıları Bu parça üzerinden alınan deformasyonlar model üzerinden alınan maksimum sıcaklık verileri ile karşılaştırılmıştır. İkinci parça, üretim esnasında yalnızca 3 farklı tarama boyu kullanılan bir parçadır. Askıda olan bölgeye de sahip olduğundan kalınlık fonksiyonunun da etki olduğu ve etkin olmadığı yerler mevcuttur. Bu amaçla bu parça üretilmiş ve paralel olarak da toplamda hem tarama boy değişikliğini hem de kalınlık fonksiyonu etkisini temsil edecek şekilde 7 farklı ara parametre modeli kullanarak modellenmiştir. Köşe kısımlardaki form deformasyonu, model üzerinden her bir katman için hesaplanan sığuma hızlarıyla karşılaştırılmış ve bir korelasyon olduğu görülmüştür. Modelleme için son kullanılan parça ise topoloji optizasyonu yapılmış bir parçadır. Bu parça üretilmiş ve üretim sonucu bazı bölgelerinde deformasyonlar olduğu görülmüştür. Parça bu çalışma kapsamında geliştirilen termal model ile modellendiğinde deformasyona sahip kısımlardaki soğuma hızlarının da yüksek olduğu görülmüştür. Bu soğuma hızlarını düşürecek şekilde destek yapısı modifikasyonları çalışılmıştır. Deformasyon miktarını ve kullanılan destek yapısı miktarını azaltan bir öneri bu çalışma kapsamında sunulmuştur.
Özet (Çeviri)
Electron Beam Melting (EBM) is an advanced and challenging additive manufacturing process that has gained attention in recent years. It offers great potential for the production of complex and functional parts with high precision and accuracy. However, the complexity of the EBM process and the presence of variable unknown process parameters present significant obstacles to accurate thermal modeling. In order to achieve accurate thermal modeling of the EBM process, it is crucial to understand the intricate interplay between the primary process parameters, such as scan speed and scan power, and the beam control functions employed during manufacturing. This study aims to investigate and analyze these relationships in depth. The roles of four key control functions, namely current compensation, speed, thickness, and turning point functions, are thoroughly examined through a series of carefully designed experiments. These experiments involve both multi-layer and single-layer configurations, with varying scan vector lengths and thicknesses. By systematically varying these parameters, the study seeks to unravel their impact on the process outcome. The obtained results provide valuable insights into the influence of scan speed, scan power, and building strategy on the EBM process. This knowledge is instrumental in the development of accurate part-scale thermal models that enable the simulation of temperature distribution on fabricated parts. By accurately capturing the thermal behavior, these models can facilitate the optimization of the manufacturing process, leading to improved quality and efficiency. Although EBM holds great promise as an additive manufacturing technique, its high cost demands precise and efficient production without the need for trial and error. To address this challenge, the present study proposes a novel approach to the EBM process. This approach involves dividing the part into small, manageable segments and creating meso-scale models for each segment. By breaking down the process into smaller units, it becomes possible to conduct detailed part-scale simulations to detect potential defects and optimize the manufacturing parameters. To validate the proposed model, single bead experiments are conducted to predict melt pool dimensions. The results demonstrate a maximum error of 25%, indicating the effectiveness and accuracy of the proposed approach. Furthermore, the model is capable of capturing the warpage caused by thermal deformations, which can be evaluated through the analysis of cooling rates in the thermal model. In conclusion, this study provides valuable insights into the challenging Electron Beam Melting (EBM) additive manufacturing process. By investigating the roles of key control functions and developing accurate part-scale thermal models, the study contributes to the advancement of EBM technology. The proposed approach of dividing the part into small segments and conducting meso-scale simulations shows promise for enhancing the accuracy, efficiency, and cost-effectiveness of EBM production. Further research and development in this field hold great potential for the widespread adoption of EBM in various industries.
Benzer Tezler
- Elektron ışın kaynağının farklı kaynak havuzu geometrilerindeki ısıl davranışlarının sonlu elemanlar yöntemi ile modellenmesi
Finite element modeling of thermal behaviors in different weld pool geometries of electron beam welding
MERTCAN KIPÇAK
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MURAT VURAL
- Development of molecularly imprinted hydrogels for drug release systems
İlaç salınım sistemleri için moleküler baskılanmış hidrojellerin geliştirilmesi
DİLEK DALGAKIRAN
Doktora
İngilizce
2017
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FATMA SENİHA GÜNER
- Manyetik katı faz ekstraksiyon metodu kullanılarak altının adsorpsiyonu ve ICP-OES ile belirlenmesi
Adsorption of gold using magnetic solid phase extraction method and determination by ICP-OES
MİRAÇ SALPAT
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
KimyaSakarya ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HÜSEYİN ALTUNDAĞ
DR. ÖĞR. ÜYESİ CELAL CANER
- Li-iyon batarya modelinin en uygunlaştırılması ve batarya bozunumunun incelenmesine katkılar
Contributions to optimization of Li-ion battery models and analysis of battery degradation
HAKAN İNCESU
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ DERYA AHMET KOCABAŞ
- Metal köpük iç ısı değiştiricili R404A soğutma çevriminin ısıl modellenmesi ve deneysel olarak incelenmesi
Thermal modeling and experimental investigation of an R404A refrigeration cycle with metal foam heat exchanger
SÜLEYMAN ŞİŞMAN
Doktora
Türkçe
2025
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSMAİL CEM PARMAKSIZOĞLU