Development and validation of an integrated thermomechanical process simulation framework for laser beam powder bed fusion additive manufacturing
Lazer ışınlı toz yataklı füzyon eklemeli imalatı için entegre bir termo-mekanik proses sımülasyon süreçlerinin geliştirilmesi ve doğrulanması
- Tez No: 1005602
- Danışmanlar: PROF. DR. BAHATTİN KOÇ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Sabancı Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Üretim Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Lazer Işınlı Toz Yatağı Füzyonu (PBF-LB), yüksek performanslı metalik bileşen- lerin üretimi için güçlü bir eklemeli imalat teknolojisi olarak öne çıkmaktadır. Ancak bu yöntemin endüstriyel ölçekte kullanımı, üretilen parçaların boyutsal doğruluğunu ve yapısal bütünlüğnü bozan kalıntı gerilmeler ve distorsiyonlar nedeniyle sınırlıdır. Buna ek olarak, mevcut simülasyon modellerinin büyük bir kısmı sınırlı esnekliğe sahip kapalı sistemler şeklinde çalışmakta; yüksek ayrıntı düzeyine sahip süreç ölçekli modeller ise parça ölçeğindeki uygulamalar için hesaplama maliyeti açısından pratik olmamaktadır. Bu doktora çalışması, PBF-LB ile üretilen bileşenlerde kalıntı gerilmelerin öngörülmesi ve azaltılmasına yönelik esnek bir simülasyon metodolojisi sunmaktadır. Önerilen yaklaşım, termomekanik süreç modellemesini gerilme bilgisi temelli topoloji optimizasyonu ile entegre ederek, üretim sürecinden kaynaklanan etkilerin doğrudan tasarım aşamasında dikkate alınmasını mümkün kılmaktadır. Modüler ve parametrik yapısı sayesinde metodoloji, belirli bir proses konfigürasyonu ile sınırlı kalmaksızın farklı malzeme, geometri ve tarama stratejilerine uyarlanabilmektedir. Lazer tarama süreci sırasında sıcaklık değişimleri ve gerilme gelişiminin hesaplanması amacıyla birleştirilmiş termal ve mekanik simülasyonlar kullanılmıştır. Önerilen yöntemin etkinliği, referans problemler ve bir mühendislik bileşeni üzerinde gerçekleştirilen sayısal analizler ile deneysel doğrulama çalışmaları aracılığıyla ortaya konmuştur. Gerilme bilgisi temelli tasarım optimizasyonu sayesinde kalıntı gerilme seviyelerinde yaklaşık %10 ila %15 oranında azalma sağlanmıştır. Endüstriyel bileşen özelinde ise optimize edilen tasarım, referans tasarıma kıyasla yapısal rijitliğinin %99'undan fazlasını korurken yaklaşık %40 oranında ağır- lık azaltımı sunmuştur. Deneysel doğrulama sonuçları, önerilen yöntemin şekil bozulma eğilimlerini ve yapısal performansı öngörme kabiliyetini doğrulamaktadır. Sonuç olarak bu araştırma, yüksek kaliteli ve performans odaklı eklemeli imalat bileşenlerinin tasarım ve üretimini destekleyen, doğrulanmış, ölçeklenebilir ve güvenilir bir simülasyon çerçevesi sunmaktadır.
Özet (Çeviri)
Laser Beam Powder Bed Fusion (PBF-LB) has emerged as a powerful additive manufacturing technology for producing complex, high performance metallic components. However, its industrial adoption is limited by the formation of residual stresses and distortions, which compromise dimensional accuracy and structural integrity. Furthermore, many existing simulation tools often lack flexibility, while detailed pro- cess models remain computationally impractical for part scale applications. This dissertation presents a flexible simulation framework to predict and mitigate residual stresses in PBF components. The framework integrates thermo mechanical process modeling with stress informed topology optimization, enabling manufacturing induced effects to be considered directly during the design stage. It's modular and parametric, adapts to different materials, geometries, and scanning strategies without being restricted to a specific process configuration. Transient thermal and mechanical simulations are employed to capture temperature evolution and stress development during laser scanning. The framework is demonstrated through numerical and experimental studies, including benchmark problems and experimental validation on an engineering component, where residual stress levels are reduced by approximately 10% to 15% through stress informed design optimization. In an industrially relevant case study, the optimized component achieves a weight reduction of approximately 40% while maintaining more than 99% of its structural stiffness compared to the reference design. Experimental validation confirms the predictive capability of the framework in terms of distortion trends and structural performance. Overall, this research provides a robust, validated, and scalable simulation framework that supports the design and manufacture of high quality, performance driven additive manufacturing components.
Benzer Tezler
- Çok disiplinli yaklaşımla katı yakıtlı roket motoru yapısal dayanım ve iç balistik performans optimizasyonu
A multidisciplinary approach in optimization of a solid rocket motor for structural strength and internal ballistic performance
CEYHUN TOLA
Doktora
Türkçe
2017
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MELİKE NİKBAY
- Bezmialem Vakıf Üniversitesi Tıp Fakültesi Hastanesi Tıbbi Biyokimya Laboratuvarında çalışılan testler için onay destek sistemi geliştirilmesi ve değerlendirilmesi
Development and validation of an autoverification system (AVS) for tests studied at the Clinical Biochemistry Laboratory of Bezmialem Foundation University Faculty of Medicine Hospital
CANER YILDIZ
Tıpta Uzmanlık
Türkçe
2024
BiyokimyaBezm-İ Alem Vakıf ÜniversitesiTıbbi Biyokimya Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÖMER FARUK ÖZER
- Şev stabilitesi problemlerinin incelenmesinde bütünleşik ve bilgi tabanlı bir sistem geliştirilmesi
The development of an integrated and intelligent design environment for the investigation of slope stability problems
BÜLENT HATİPOĞLU
Doktora
Türkçe
2003
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. METE İNCECİK
- Entegre emgi ve yabancı madde analiz sisteminin geliştirilmesi
Development of an integrated emgi and foreign material analysis system
YUSUF CURUM
Yüksek Lisans
Türkçe
2026
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolFırat ÜniversitesiYazılım Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. FATİH ÖZYURT
- Development and validation of novel, biomimetric propeller-less underwater propulsion systems
Biyomimetik pervanesiz su alti tahrik sistemlerinin geliştirilmesi ve doğrulanmasi
BATUHAN EKİN AKBULUT
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Mekatronik MühendisliğiBahçeşehir ÜniversitesiMekatronik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MEHMET BERKE GÜR