Solid mechanics based design and analysis of lattice structures with elliptical design parameters produced by polymer additive manufacturing
Polimerik eklemeli imalatla üretilen eliptik tasarım parametrelerine sahip kafes yapılarının katı cisim mekaniği temelli tasarımı ve analizi
- Tez No: 1021313
- Danışmanlar: DOÇ. DR. MİNE USLU UYSAL
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Yıldız Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Makine Tasarımı Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Son yıllarda, polimer eklemeli imalat yöntemiyle üretilen parçaların, üstün özellikleri ve üretim kolaylıkları sebebiyle ileri teknoloji gerektiren havacılık, uzay, otomotiv ve biyomedikal alanlarda kullanımının giderek arttığı gözlemlenmektedir. Böylece günümüzde polimer eklemeli imalatla üretilen kafes yapı tasarımlarının, bu yapılardaki mekanik davranışların mümkün olduğu kadar gerçeğe yakın modellenip, güvenilir bir şekilde belirlenmesine ihtiyaç duyulmaktadır. Yüksek lisans tezinde sunulan hücresel kafes yapısı, deneysel olarak incelenen yeni bir modele dayanmaktadır. Yeni benzersiz birim hücre tasarımında, boyut parametreleri, destek elemanları ve baskı oryantasyonları gibi, önemli etkileşim faktörleri ele alınmıştır. Farklı rijitik ve farklı bağıl yoğunluklara sahip birim hücre modelleri ergiyik yığma modelleme (Fused Deposition Modelling , FDM) tekniği ile PLA (Polylactic Asit) malzemeden üretilmiştir. Tez çalışmasında, polimer malzeme kullanarak yeni tasarlanmış benzersiz birim hücre geometrilerinden oluşan yapıların çekme, basma ve burulma davranışları üzerine odaklanılmıştır. Bölüm 3'te yeni geliştirilmiş birim kafes yapısına sahip yapıların çekme basma ve burulma numunelerinin proses parametreleri (yatayla 0, 45 ve 90 derece) ve tasarım parametreleri; hücre içi eliptik tasarım parametreleri c/a = 4, 2, 1, 0.5, 0.25 olacak şekilde belirlenmiştir. Bölüm 4.2.1'de oluşturulan modellerin çekme altındaki gerilme davranışları deneysel olarak ayrıntılı incelenmiştir. Bu incelemenin temel amacı maksimum çekme yükü kapasitesini ve en yüksek iletim oranlarını arttırmak için en uygun baskı oryantasyonun ve eliptik tasarım parametresinin (c/a) belirlenmesidir. Elde edilen deneysel sonuçlara göre, çekme yüklemesi altında en yüksek maksimum yük taşıma kapasitesi 262,19 N ile 0° baskı oryantasyonunda ve (c/a=1,00) ile (c/a=2,00) geometrilerinde elde edilmiştir. Ayrıca parametrelerin, çekme numunesindeki von Mises gerilmelerine, kayma gerilmelerine, maksimum ve minimum asal gerilmelere etkileri sonlu elemanlar analizleri yardımıyla saptanmıştır. Polimerik tabanlı hücresel kafes geometrilerinden oluşan yapılara basma yükü uygulanması en yaygın kullanılan yüklemelerden biridir. Bölüm 4.2.2'de yeni hücresel kafes yapılarının basma deneylerinde, maksimum ilk pekleşme yükü, ilk pekleşmedeki yer değiştirme, en yüksek basma yükü ve en yüksek toplam absorbe edilen enerji değerleri elde edilmiştir. Sonlu elemanlar analizleri basma yükü altındaki meydana gelen gerilmelerin hücresel yapı üzerinde dağılımlarının belirlenmesinde kullanılmıştır. En yüksek ilk pekleşme yükü 658,43 N ile 45°–(c/a=2,00) numunesinde elde edilmiştir. En yüksek maksimum basma yükü 4555,74 N ve en yüksek toplam absorbe edilen enerji 30,29 J ile 90°–(c/a=0,25) numunesinde ölçülmüştür. Literatürde şimdiye kadar yapılan çalışmalarda, hücresel kafes geometrilerinden oluşan yapıların dayanımın, özellikle burulma yükü altındaki yapılar için yeterince incelenmediği görülmektedir. Bu eksiklik dikkate alınarak, Bölüm 4.2.3'te farklı eliptik tasarım parametrelerine ve baskı oryantasyonlarında burulma yüküne maruz yeni hücresel kafes yapıları ele alınmıştır. Burulma deneyleri sonucunda, en yüksek maksimum tork kapasitesi 170 Nmm ile 45°–(c/a=4,00) numunesinde, maksimum tork altında sürdürülebilen en yüksek burulma açısı ise 144,87° ile 0°–(c/a=0,25) numunesinde elde edilmiştir. En yüksek tork iletim oranı \%85,05 ile 90°–(c/a=1,00) numunesinde saptanmıştır. Burulma deney verilerinin girdi olarak kullanıldığı sonlu elemanlar analiz sonuçları, hasarlı burulma deneyi esnasında meydana gelen von Mises gerilmesi, maksimum kayma gerilmesi, maksimum ve minimum asal gerilme değerlerinin ve gerilme oluşum yerlerinin saptanmasını sağlamıştır. Analiz sonuçları literatürde ulaşılan sayısal sonuçlar ile karşılaştırılarak tezde kullanılan modellerin geçerliliği doğrulanmıştır.
Özet (Çeviri)
In recent years, it has been observed that parts produced by polymer additive manufacturing methods are increasingly used in aerospace, automotive, and biomedical fields requiring advanced technology, due to their superior properties and ease of production. Therefore, there is a need to reliably determine the mechanical behavior of lattice structures produced by polymer additive manufacturing by modeling them as realistically as possible. The cellular lattice structure presented in this master's thesis is based on a new model that has been experimentally investigated. In the new unique unit cell design, important interaction factors such as dimensional parameters, support elements, and printing orientations are considered. Unit cell models with different rigidities and different relative densities were produced from PLA (Polylactic Acid) material using fused deposition modeling (FDM) technique. This thesis focuses on the tensile, compressive, and torsional behavior of structures composed of newly designed unique unit cell geometries using polymer materials. In Chapter 3, the process parameters (0, 45, and 90 degrees to the horizontal) and design parameters of tensile, compressive, and torsional samples with a newly developed unit lattice structure were determined, with intracellular elliptical design parameters c/a = 4, 2, 1, 0.5, and 0.25. In Chapter 4.2.1, the stress behavior of the created models under tension was experimentally investigated in detail. The main purpose of this investigation was to determine the most suitable printing orientation and elliptical design parameter c/a to increase the maximum tensile load capacity and the highest transmission ratios. According to the experimental results, the highest maximum load-carrying capacity under tensile loading was obtained with 262.19 N at the 0° printing orientation and with geometries (c/a=1.00) and (c/a=2.00). In addition, the effects of the parameters on von Mises stresses, shear stresses, maximum and minimum principal stresses in the tensile sample were determined using finite element analyses. Applying compressive loads to structures consisting of polymeric-based cellular lattice geometries is one of the most commonly used loading methods. In Chapter 4.2.2, the maximum initial hardening load, displacement at initial hardening, highest compressive load, and total absorbed energy values were obtained in the compressive tests of new cellular lattice structures. Finite element analyses were used to determine the distribution of stresses occurring under compressive load on the cellular structure. The highest initial hardening load was obtained in the 45°–(c/a=2.00) sample with 658.43 N. The highest maximum compressive load was measured in the 90°–(c/a=0.25) sample with 4555.74 N and the highest total absorbed energy with 30.29 J. Previous studies in the literature have shown that the strength of structures composed of cellular lattice geometries, especially those under torsional load, has not been sufficiently investigated. Considering this deficiency, Chapter 4.2.3 addresses novel cellular lattice structures subjected to torsional loads with different elliptical design parameters and printing orientations. As a result of torsional tests, the highest maximum torque capacity was obtained in the 45°–(c/a=4.00) sample with 170 Nmm, while the highest torsional angle sustained under maximum torque was obtained in the 0°–(c/a=0.25) sample with 144.87°. The highest torque transmission ratio was determined in the 90°–(c/a=1.00) sample with 85.05\%. Finite element analysis results, using the torsional test data as input, enabled the determination of the von Mises stress, maximum shear stress, maximum and minimum principal stress values, and stress locations during the damaged torsional test. The validity of the models used in this thesis was confirmed by comparing the analysis results with numerical results obtained in the literature.
Benzer Tezler
- Dental uygulamalarda kullanılan titanyum mesh ve kafes yapılı implantların katı cisim mekaniği temelli tasarımı ve analizi
Solid mechanics based design and analysis of titanium mesh and lattice structure implants used in dental applications
AHMET BERKAY GÜNYAKTI
Yüksek Lisans
Türkçe
2026
Makine MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MİNE USLU UYSAL
DR. ÖĞR. ÜYESİ GÜHER PELİN TOKER
- Klasik ve mikrogermeli ortam teorisiyle modellenen plaklarin caputo kesirli türevi yardimiyla nonlokal titreşim analizi
Nonlocal vibration analysis of classic and microstretch plates with the help of caputo fractional derivative
SONER AYDINLIK
Doktora
Türkçe
2020
Matematikİstanbul Teknik ÜniversitesiMatematik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. AHMET KIRIŞ
- İçten yanmalı motor egzoz portu etrafındaki kafes yapılarının termomekanik davranışının incelenmesi ve efektif modelleme yaklaşımının geliştirilmesi
Thermomechanical investigation of lattice structures around exhaust port for iternal combustion engine and development of a effective modelling approach
CEMRE OĞUZ ERŞAHİN
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ HİKMET ARSLAN
- Design, structural optimization and experimental validation of an additively manufactured aerospace sandwich panel with different lattice cores
Farkli kafes çekirdeklere sahip eklemeli imalatla üretilmiş bir havacilik sandviç panelinin tasarimi, yapisal optimizasyonu ve deneysel doğrulamasi
HASAN GENÇARSLAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2025
Makine MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ULAŞ YAMAN
- Helikopter transmisyon dişlilerinin kafes tabanlı tasarımı ve titreşim davranışlarının incelenmesi
Lattice-based design of helicopter transmissions and investigation of their vibration behavior
YUSUF SAĞLAM
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Havacılık ve Uzay MühendisliğiGazi ÜniversitesiEndüstriyel Tasarım Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HARUN GÖKÇE