Design, development and performance evaluation of a three-axis miniature machining center
3-eksenli minyatür işleme merkezinin tasarımı, geliştirilmesi ve performansının değerlendirilmesi
- Tez No: 286308
- Danışmanlar: YRD. DOÇ. SİNAN FİLİZ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2011
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Bölümü
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 139
Özet
Medikal, biyoteknoloji, enerji, tüketim ve uzay gibi endüstrilerden yüksek doğrulukta minyatür parçalara olan talep artmaktadır. Metal, polimer, seramik ve kompozit gibi malzemelerin üzerine üç boyutlu geometrileri işleyebilme özelliğine sahip mekanik mikro-işleme yöntemi mikro-işleme için oldukça uygun bir yöntemdir. Minyatür takım tezgahları prosesin doğruluğunu ve verimliliğini arttırdıkları için geliştirilmekte ve mekanik mikro-işlemede kullanılmaktadırlar. Minyatür takım tezgahlarında üretilen ürünün kalitesi en iyi kesme şartlarının seçilmesine bağlıdır. Fakat, mikro-işlemenin sahip olduğu potansiyelin tamamı prosesin tekrarlanabilirliğini azaltan bazı problemlerdendolayı kullanılamamaktadır. Bu problemlerin en önemlilerinden bir tanesi elde edilen ürünün kalitesinin takım tezgahının titreşimleri yüzünden düşmesidir. Bu master tezi 3-eksenli bir minyatür işleme merkezinin geliştirilmesini, geliştirilen işleme merkezinin mikro-frezeleme performansının değerlendirilmesinive geliştirilen takım tezgahının dinamik davranışının deneyler ve sonlu elemanlar yöntemiyle karakterize edilmesini amaçlamaktadır.Tez kapsamında takım tezgahı tasarlanır ve 3-eksenli pozisyonlama kızakları, minyatür yüksek hızlı motorlar, minyatür kuvvet dinamometresi ve mikroskop kullanılarak yapılır. Tasarlananan minyatür işleme merkezinde motorun bulunduğu kısmın statik ve dinamik karakteristiklerini elde etmek için sonlu ele-menlar yöntemi ile üç boyutlu simülasyonlar gerçekleştirilir. Motorun merkezineher üç yönde 20N kuvvet uygulandığında, tasarlanmış olan mekanik parçaların üzerinde maksimum 0,256 µm'lik bir statik deplasman elde edilir. Dinamik sonlu elemanlar analizi mekanik parçaların ilk üç doğal frekansını 700 Hz, 828 Hz ve1.896 Hz olarak tahmin eder; dolayısıyla bu frekanslara karşılık gelen motor hızları başarılı bir mikro-işleme için kaçınılmalıdır.Bu master tezinde geliştirilen mikro-işleme tezgahının üç boyutlu mikro geometrileri işleyebilme yeteneğini göstermek amacıyla; mikro-frezeleme, Poly(methyl methacrylate) (PMMA) ve poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA) adlı polimer mikro-iğnelerin yapımı için orjinal bir yöntem olarak önerilir. PMMA vePLGA'in mikro-işlenebilirliği, 3 mm boyunda ve 100 µm derinliğindeki kanalların 50.000 devir/dk ve 100.000 devir/dk dönme hızlarında ve farklı ilerleme değerlerinde (5, 10, 15, and 20 µm/kesmeucu) kesilmesiyle incelenir. Mikro-işllenebilirliğin incelenmesi sonucunda PLGA'in işlenebilirliğinin daha iyi olduğu gözlemlenir. Ayrıca, 50.000 devir/dk ve 20 µm/kesmeucu kesme parametrelerinin en iyi ürün kalitesini verdiği gözlemlenir. Bu parametreler kullanılarak farklı geometrilerdeki iğneler PMMA ve PLGA polimerlerinden başarılı bir şekilde üretilir. Bu çalışma esnasında, polimer iğnelerin kesme kuvvetleri ve titreşimden dolayıeğildikleri ve bunun da boyutsal hatalara sebep olduğu gözlemlenir.Ürün kalitesinin kesme kuvvetlerinden ve yüksek hızla dönüşten kaynaklanan titreşimden dolayı azalmasını engellemek amacıyla, geliştiirilmiş olan makinenin titreşimleri özellikle motorun bulunduğu kısma odaklanarak motorun eksenden kaçıklığının ölçülmesi ve modal analiz ile deneysel olarak incelenir. Elde edilen sonuçlar sonlu elemanlar yöntemiyle yapılan üç boyutlu simulasyonlaın sonuçlarıyla karşılaştırılır. Bu inceleme göstermektedir ki, geliştirilmiş olan minyatür işleme merkezi, havalı motorla mikro-işleme için başarılı bir şekilde kullanılabilir Öte yandan, bu tasarım ile elektrikli motor kullanıldığı zaman belirlihızlarda çalışmak oldukça risklidir. Çünkü tasarımın doğal frekanslarının çoğu elektrikli motorun çalışma aralığı içindedir.Motorun ekseninden kaçık dönmesinin ölçülmesii lazer dopler titreşim ölçererler kullanılarak, deneysel modal analiz de darbe çekici ve ivmeölçe kullanılarak gerçekleştirilerek motorun bulunduğu kısmın dinamiklerinin elde edilmesi amaçlanır. Yüksek hızda seramik rulmanlı elektrikli motorun üzerinde yapılaneksenden kaçık dönme ölçümleri hem bu kaçıklığın şeklinin hem de büyüklüğünün motorun hızıyla değiştiğini gösterir. Motorun hızıyla senkronize olan eksen kaçıklığının 15.000 devir/dk dönme hızında maksimum değer olan 1,65 µm'ye ulaştığı görülür. Motorun hızıyla senkronize olmayan eksen kaçıklığının 40.000 devir/dk ve 50.000 devir/dk dönme hızları arasnda önemli olduğu ve 45.000 devir/dk'da maksimum değer olan 0.21 µm'ye ulaştığı görülür.Deneyler ve sonlu elemanlar yöntemiyle gerçekleştirilen simülasyonlar geliştirilen makine için bir çalışşma frekansı seçme rehberi sağlar. Bu rehbere göre titreşimle ilgili problemleri engellemek için iki farklı dönme hızı aralığı (15.000- 25.000 devir/dk ve 40.000-50.000 devir/dk) sakınılmalıdır. Buna ek olarak, butez kapsamında elde edilen deneysel veriler baz alınarak yapısal modi ? kasyonlar yapılabilir ve tasarım daha da iyile¸stirilebilir. Elde edilen deneysel veriler makinenin matematiksel modelini elde etmek için ve kararlılık limitlerini elde edipverimliliğini arttırmak için de kullanılabilirler.En genelde, gelitirilmiş olan minyatür işleme merkezi üzerinde test edilen mekanik mikro-işleme yöntemi, mikro-işlemede ulaşılabilecek kalite ve aralığı ortaya koyar.
Özet (Çeviri)
There is a growing demand for highly accurate micro-scale parts from various industries including medical, biotechnology, energy, consumer, and aerospace. Mechanical micro-machining which is capable of fabricating three dimensional micro-scale features on a wide range of engineering materials such as metals, polymers, ceramics and composites is a viable micro-manufacturing technique to effectively address this demand. Miniature machine tools (MMTs) are developed and used in mechanical micro-machining since their small size improves the accuracy and e ? ciency of the process. The output quality of the ? nal product manufactured on an MMT depends on choosing the optimum machining parameters. However, the full potential of micro-machining can not be achieved due to challenges that reduce the repeatability of the process. One of the most signifcant challenges in micro-machining is the deterioration of output quality due to the MMT vibrations. This thesis demonstrates the development of a three-axis miniature machine tool, the performance evaluation of its micro-scale milling process, and the characterization of its dynamic behaviour using ? nite element simulations and experiments.The MMT is designed and constructed using precision three-axis positioning slides (2 micrometers positioning accuracy, 10 nanometers positioning resolution, 60 mm x 60 mm x 60 mm workspace), miniature ultra-high speed spindles (ceramic bearing electrical spindle with maximum 50,000 rpm rotational speed and air bearing air turbine spindle with maximum 160,000 rpm rotational speed), a miniature force dynamometer, and a microscope. Three dimensional ? nite element simulations are performed on the developed MMT to obtain the static and dynamic characteristics of the spindle side. A maximum static de ? ection of 0.256 µm is obtained on the designed base when 20 N forces in three directions are applied to the center of the spindle. Dynamic ? nite element analysis predicts the ? rst three natural frequencies as 700 Hz, 828 Hz and 1896 Hz; hence corresponding spindle speeds should be avoided for successful application of micro-machining.To demonstrate the capability of MMT for manufacturing three dimensional (3D) features, micro-milling is proposed as a novel method for fabricating Poly(methyl methacrylate) (PMMA) and poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA) polymer micro-needles. The micro-machinability of PMMA and PLGA polymersis investigated experimentally by machining a group of 3 mm length and 100 µm depth slots using 50,000 and 100,000 rpm spindle speeds with di ? erent feedrates (5, 10, 15, and 20 µm/ ? ute). The micro-machinability study concludes that PLGA has better machinability than PMMA. It is also observed that themachining parameters of 50,000 rpm spindle speed and 20 µm/ ? ute feedrate give better output quality. Using these machining parameters, micro needles with different geometries are successfully manufactured from PMMA and PLGA polymers. During this study, it is observed that polymer pillars bend due to machining forces and vibrations, which causes dimensional errors.To address the deterioration of the output quality due to vibrations stemming from machining forces and high-speed-rotations, MMT vibrations particularly focusing on the spindle side dynamics are investigated experimentally using runout (spindle axis o ? set) measurements and experimental modal analysis techniques. The results are compared with those from three-dimensional ? nite element simu-lations. The investigation of MMT vibrations indicates that the developed MMT is convenient for accurate applications of micro-machining using air-turbine air bearing spindle. However, the selection of the operation frequencies for electrical spindle is challenging at certain speeds with this design because most of the critical natural frequencies of the developed MMT appear in the operating frequency range of electrical spindle.Runout measurements using two laser doppler vibrometer (LDV) systems and experimental modal analyis which utilizes an impact hammer and accelerometer are conducted to obtain spindle side dynamics. Runout measurements performed on the miniature ultra-high speed ceramic bearing electrical spindle show that both magnitude and shape of the runout errors vary considerably with spindle speed. A peak of 1.62 µm synchronous runout is observed at 15,000 rpm. Asynchronous runout errors become signi ? cant between spindle speeds of 40,000 and 50,000 rpm and reach to a maximum of 0.21 µm at 45,000 rpm. On the other hand, experimental modal analysis is conducted to obtain both the steady-state and speed dependent frequency response functions (FRFs) of the mechanical structures. Steady state FRFs indicate that 750 Hz and 850 Hz are two important natural frequencies for successful application of micro-machining. Compared to the three dimensional ? nite element simulations, there is 7 % difference for the ? rst mode and 3 % di ? erence for the second mode. Both steady-state experimental modal analysis and ? nite element simulations could not consider the speed-dependent dynamics. Therefore, experimental modal analysis at different spindle speeds is also performed and it is concluded that natural frequencies of the mechanical structures change signi ? cantly depending on spindle speed. Speed-dependent FRFs show that the maximum response of about 0.35 µm/N is obtained while the spindle is rotating at 16,000 rpm but the peak occurs at 24,000 rpm (400 Hz). In addition, the vibration amplitude grows between the spindle speed of 40,000 rpm and 50,000 rpm.Experiments and ? nite element simulations provide a machine operation frequency selection guide. It is suggested to avoid two di ? erent spindle speed ranges (15,000- 25,000 rpm and 40,000-50,000 rpm) to prevent vibration related inaccuracies. In addition, structural modi ? cations can be achieved to further optimize the design based on the experimental data obtained in this work. The obtained experimental data can be used to derive mathematical model of the MMT and to perform stability studies to increase the productivity of the micro-machining processes.Overall, the novel micro-machining technique tested on the developed MMT highlights the quality and ranges that can be achieved in micro-manufacturing.
Benzer Tezler
- Design as making: Integration of design development and fabrication through human-computer interaction
Yaparak tasarlama: insan bilgisayar etkileşimi ile tasarım ve imalat süreçlerini bütünleştirme
SERDAR AŞUT
- An experimental study on the behavior of square short concrete columns confined with hybrid frpunder monotonic axial compression stress
Monotonik eksenel basınç yüklemesi altında hibrit liflipolimer malzeme ile sargılanmış kare beton kolonların davranışı üzerine deneysel bir çalışma
BILAL IBRAHIM MAJEED AL-OUBAIDI
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MEDİNE İSPİR ARSLAN
- Esnek ve adapte olabilir konutlar için değerlendirme rehberi
An Evaluation guide for flexible and adaptable dwellings
NEBAHAT UZEL
- Betonarme önüretim kiriş kolon bağlantısı için önerilen sigorta tipi mekanik manşonun özelliklerinin deneysel olarak belirlenmesi
Experimental determination of the properties of fuse type mechanical coupler proposed for reinforced concrete precast beam to column connections
KUBİLAY KARAKUŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ERCAN YÜKSEL