PHASE-FIELD SIMULATION OF GRAIN EVOLUTION AS A COMPONENT OF DIGITAL TWIN FOR 3D METAL PRINTING
3 BOYUTLU METAL BASKI İÇİN DİJİTAL İKİZİN BİR BİLEŞENİ OLARAK TANE EVRİMİNİN FAZ-ALAN SİMÜLASYONU
- Tez No: 1018922
- Danışmanlar: PROF. DR. MEHMET YILDIZ, PROF. DR. SYAMAK HOSSEIN NEDJAD
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Sabancı Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Endüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Üretim Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Metal Katmanlı İmalat (MKİ), taranan bir enerji kaynağı ile yerel ergitme ve yeniden katılaştırma yoluyla karmaşık ve yüksek değerli metal bileşenlerin üretilmesini mümkün kılar. Ortaya çıkan dik ısıl gradyanlar ve hızlı soğuma, daha önce katılaşmış malzemeden kristal yönelimini miras alan ve ergiyik havuzunun geometrisine göre eğrilen, belirgin anizotropik mikroyapılar üretir; en karakteristik örnek yönlenmiş kolonlu tanelerdir. Tane morfolojisi ve doku (tekstür), mekanik özellikleri, kalıntı gerilmeleri ve güvenlik açısından kritik parçaların nitelendirilmesini doğrudan etkilediğinden, proses parametrelerini mikroyapısal sonuçlara bağlayabilen öngörücü, fiziğe dayalı modellere duyulan ihtiyaç giderek artmaktadır. Bu tez, bu amaçla birbirini tamamlayan iki çerçeve geliştirmektedir. İlk olarak, tüm bir polikristali tek bir yönelim alanıyla temsil eden ve literatürde WKLC formülasyonu olarak bilinen bağlaşık faz-alanı ve yönelim-alanı modeli; hareketli bir ısı kaynağı ile soğuk katıda fiziksel olmayan tane kabalaşmasını bastıran sıcaklığa bağlı yönelim hareketliliği eklenerek katmanlı imalata genişletilmiştir. Model, hem iki hem de üç boyutta epitaksiyel yeniden büyümeyi, rekabetçi büyümeyi ve eğri kolonlu taneleri yeniden üretmekte; ters tarama ve tekrarlı yüzey yeniden ergitme altındaki mikroyapısal değişimleri öngörmektedir. Hesaplanan kutup figürleri, tek izli 316L paslanmaz çeliğin EBSD ölçümleriyle nitel uyum göstermektedir. İkinci olarak, atomik ölçekli yoğunluk evrimini hareketli bir ısıl alana bağlayan eş-sıcaklık-dışı faz-alan kristal modeli; epitaksiyel yeniden büyümeyi, testere dişli tane sınırlarını, alt-tane yönelim farklarını ve elastik kafes eğilmesini çözümlemekte ve tarama hızıyla artan kinetik bir aşırı soğumayı ortaya koymaktadır. Bu çerçeveler birlikte, proses parametrelerini tane morfolojisi, doku ve kusur yapısına bağlayarak, katmanlı imalatla üretilen metallerin nitelendirilmesi ve kontrolü için gereken mikroyapı-farkında dijital ikizleri ilerletmektedir.
Özet (Çeviri)
Metal Additive Manufacturing (MAM) enables the production of complex, high-value metallic components through localized melting and resolidification driven by a scanning energy source. The resulting steep thermal gradients and rapid cooling generate highly anisotropic microstructures, most notably elongated columnar grains that inherit their orientation from previously solidified material and curve according to melt-pool geometry. Because grain morphology and texture directly govern mechanical properties, residual stress, and the qualification of safety-critical components, there is a growing need for predictive, physics-based models that link process parameters to microstructural outcomes. This dissertation develops two complementary frameworks toward this goal. First, a coupled phase-field and orientation-field model, known as the WKLC formulation, which represents an entire polycrystal with a single orientation field, is extended to additive manufacturing by introducing a moving heat source and a temperature-dependent orientation mobility that suppresses unphysical grain coarsening in the cold solid. In both two and three dimensions, the model reproduces epitaxial regrowth, competitive growth, and curved columnar grains, and predicts microstructural changes under reverse scanning and repeated surface remelting; the computed pole figures show qualitative agreement with EBSD measurements of single-track 316L stainless steel. Second, a non-isothermal phase-field-crystal model couples atomic-scale density evolution to a moving thermal field, resolving epitaxial regrowth, serrated grain boundaries, subgrain misorientation, and elastic lattice bending, and revealing a kinetic supercooling that grows with scan velocity. Together, these frameworks connect process parameters to grain morphology, texture, and defect structure, advancing the microstructure-aware digital twins required for the qualification and control of additively manufactured metals.
Benzer Tezler
- Computer simulation of electromigration induced void-grain boundary interactions and the prediction of cathode failure times in bamboo structures
Elektrogöç`e bağlı boşluk-tanecik sınırı etkileşimlerinin bilgisayar modellemesi ve bambu yapılardaki katot bozulma zamanlarının tahmini
ERSİN EMRE ÖREN
Doktora
İngilizce
2003
Metalurji MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TARIK OĞURTANI
- Advancing creep performance and oxidation resistance of inconel 939 alloy fabricated by selective laser melting
Seçici lazer ergitme yöntemi ile üretilen ınconel 939 alaşımının sürünme performansı ve oksidasyon direncinin geliştirilmesi
FATİH GÜLER
Doktora
İngilizce
2025
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖZGÜL KELEŞ
DR. HÜSEYİN AYDIN
- GPU üzerinde yazılım tabanlı anten gerçeklenmesi
Realization of software-defined antenna on GPU
ABDULLAH BAKIRTAŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SELÇUK PAKER
- Polikarbonat panel ve cam cephelerin enerji performanslarının ofis yapısı örneği üzerinden simülasyon yöntemiyle değerlendirilmesi
Evaluation of energy performance of polycarbonate panel and glass facades by simulation method on the example of office building
FİLİZ İREM MEMİŞOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA ERKAN KARAGÜLER
- Faz dizili antenler için yakın alan tarama probu kalibrasyon yöntemi uygulaması
Application of near field scanning probe method calibration for phased array antennas
MUHAMMED İHSAN ZEYVELİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MEHMET NURİ AKINCI