Validation of dynamic models of additive manufacturing parts
Katmanlı imalat ile üretilen parçaların dinamik modellerinin doğrulanması
- Tez No: 510569
- Danışmanlar: PROF. DR. KENAN YÜCE ŞANLITÜRK
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Makine Dinamiği, Titreşimi ve Akustiği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 103
Özet
Katmanlı imalat teknolojileri son yıllarda özellikle metal malzemelerde oldukça popüler bir çalışma alanı haline gelmiştir. Medikal sektöründen havacılığa kadar birçok sektörde firmalar bu alana yatırımlar yapmaktadır. Katmanlı imalat ile üretilen parçaların konvansiyonel yöntemlerle üretilen parçaların yerine kullanılabilirliği birçok yönden çalışılmaktadır. Bu noktada malzeme özelliklerinin elde edilmesi büyük önem taşımaktadır. Böylece halihazırda döküm, dövme gibi konvansiyonel imalat yöntemleri için var olan ve parça için gerekliliklerin yer aldığı standartların katmanlı imalat prosesi için de elde edilebilmesi mümkün hale gelecektir. Malzeme özelliklerinin elde edilebilmesi adına oda sıcaklığı ve yüksek sıcaklık çekme testlerinin yanı sıra sürünme, düşük çevrimli yorulma ve yüksek çevrimli yorulma gibi malzemenin dinamik özellikleri hakkında bilgi veren maliyetli ve uzun süren testlerin de gerçekleştirilmesi gerekmektedir. Bu da ham malzeme, işçilik ve zaman maliyetlerine sebep olmaktadır. Bu bağlamda, titreşim testleri, parçaların dinamik modellerinin oluşturulması için uygun bir yöntem olarak değerlendirilmektedir. Parçanın deneysel verileri kullanılarak oluşturulan matematiksel modeli, teorik modellerin doğruluğunun kontrol edilmesi ve bu modellerin güncellenmesi için kullanılabilecektir. Bu tez kapsamında, ilk önce metal malzemeler için katmanlı imalat yöntemleri hakkında genel bilgi verilmiş ve bir toz yatağı katmanlı imalat prosesi olan lazerle metal tozu ergitme teknolojisi hakkında detaylı bilgi sunulmuştur. Sonrasında problem verilmiştir ve konvansiyonel ve katmanlı imalat ile üretilen yapıların malzeme özellikleri konusunda detaylı literatür araştırması yapılmıştır. Son olarak, tezin amacı ve alanı hakkında bilgi verilmiştir. İkinci bölümde, titreşim testleriyle ilgili olarak doğruluğun artırılması, modal parametrelerin elde edilmesi ve karşılaştırma ve korelasyon konularında teorik bilgiler verilmiştir. Doğruluğun artırılması amacıyla ortalama alma, frekans örtüşmesi, spektral sızma ve koherans gibi farklı metotlar tanıtılmıştır. Modal parametrelerin elde edilebilmesi amacıyla tepe noktası seçme, çember uydurma ve çizgi uydurma gibi yöntemler hakkında bilgi verilmiştir. Bu tezde yapıların sönüm seviyelerini elde edebilmek amacıyla ICATS yazılımı MODENT modülünün yardımıyla çember uydurma metodu kullanılmıştır. Üçüncü bölümde, sonlu elemanlar modellerine girdi olabilmesi amacıyla malzeme özellikleri çıkarılmıştır. Bu kapsamda, ilk olarak darbeyle uyarma test metoduna uygun olarak katmanlı imalat ve konvansiyonel metotlarla numune üretimleri gerçekleştirilmiştir. Bu numuneler darbeyle uyarma test metoduna göre test edilmiş ve elastik modülü ve kesme modülü değerleri elde edilmiştir. Elastik modülü ve kesme modülü verileri kullanılarak Poisson oranı hesaplanmıştır. Ayrıca, Arşimet metodu kullanılarak numunelerin yoğunluk değerleri elde edilmiştir. Elde edilen bu veriler konvansiyonel ve katmanlı imalat yapılarına ait sonlu elemanlar analizine malzeme verisi olarak girilmiştir. Dördüncü bölümde, konvansiyonel yöntemler ve katmanlı imalat yöntemleriyle üretilen yapıların sonlu elemanlar analiz sonuçları verilmiştir. İlk olarak, titreşim testi geometrisine karar verilmiştir. Bu amaçla, yapının ilk 6 elastik modu 4000 Hz altında kalacak ve farklı düzlemlerde mod şekilleri elde edilebilecek 10 mm x 25 mm x 300 mm boyutlarında bir geometri seçilmiştir ve sonlu elemanlar yazılımı olarak kullanılan ABAQUS içerisinde tanımlanmıştır. Analizler koşturularak konvansiyonel ve katmanlı imalat yapılarına ait doğal frekans ve mod şekilleri sonuçları elde edilmiştir. Beşinci bölümde, ilk olarak katmanlı imalat ile üretilecek yapıların proses parametreleri belirlenmiştir. Bu amaçla, konvansiyonel yapı ile aynı yoğunlukta (yüksek yoğunlukta) ve düşük yoğunlukta olmak üzere 2 farklı yapının üretilmesine karar verilmiştir. Yapılan deney tasarımı ile yüksek yoğunluk ve düşük yoğunluk verecek parametre setleri belirlenmiştir. Kullanılan parametreler, volümetrik enerji yoğunluğu denkleminde de yer alan lazer gücü, lazer hızı, tarama mesafesi ve katman kalınlığı parametreleridir. Sonuç olarak volümetrik enerji yoğunluğu değerleri sırasıyla 67.5 J/mm3 ve 16.3 J/mm3 olan yüksek yoğunluk ve düşük yoğunluk yapıları EOS M290 lazerle metal tozu ergitme tezgahında üretilmiştir. Titreşim testi gerçekleştirebilmek için deneysel kurulum yapılmış ve 3 yapı için de hem mikrofon hem de ivmeölçer kullanarak titreşim testleri gerçekleştirilmiştir. Konvansiyonel ve katmanlı imalat yapıları için doğal frekans ve sönüm seviyeleri elde edilmiştir. Doğal frekans değerleri mikrofon ölçümlerinden Siemens LMS Test.Lab yazılımı kullanılarak, sönüm seviyeleri ise ivmeölçer ölçümlerinden ICATS yazılımı MODENT modülü kullanılarak elde edilmiştir. Altıncı bölümde, titreşim testlerinden ve sonlu elemanlar analizlerinden elde edilen sonuçlar karşılaştırılmıştır. Konvansiyonel yapıya ait sonlu elemanlar modeli doğrulanmıştır. Katmanlı imalat parçalarına ait deneysel doğal frekans sonuçları kullanılarak sonlu elemanlar modelleri güncellenmiştir. Bu amaçla, yoğunluk değeriyle birlikte tahmini elastik modülü ve Poisson oranı değerleri sonlu elemanlar analizine girilmiştir. Elastik modülü ve Poisson oranı kademeli olarak azaltılarak deneysel doğal frekans değerlerini verecek şekilde güncellenmiştir. Son bölümde, elde edilen sonuçlar özetlenmiş ve gelecek çalışmalar için yorumlamalarda bulunulmuştur. Yüksek yoğunluk katmanlı imalat parçası ve konvansiyonel metotla üretilen parçanın doğal frekans değerleri arasında maksimum % 2.763'lük fark olduğu sonucuna ulaşılmıştır. Sönüm seviyelerini belirten kayıp faktörü sonuçlarıyla, katmanlı imalat ile üretilen parçalarla konvansiyonel yöntemlerle üretilen parçalara benzer veya daha yüksek sönüm seviyelerinin elde edilebileceği gösterilmiştir. Ayrıca, farklı katmanlı imalat parametreleri kullanılarak aynı malzeme kompozisyonuna sahip olacak şekilde farklı elastik modülü, sönüm seviyesi, yoğunluk/gözeneklilik değerine sahip istenilen mekanik özelliklerde yapılar elde edilebileceği ortaya konulmuştur. Ayrıca, katmanlı imalatın bu özelliği kullanılarak parçaların farklı bölgelerinde farklı mekanik özellikler elde edilebilmesinin mümkün olduğu sonucu ortaya çıkmaktadır. Yapıların artan gözeneklilik değeri ile birlikte doğal frekans değerlerinin azaldığı ve sönüm seviyelerinin arttığı belirlenmiştir. Literatürde katmanlı imalat ile üretilen parçalara ait elastik modülün malzeme yoğunluğuna bağlı grafikleri ile benzer eğilimde bir grafik elde edilmiştir. Fakat bu grafiklerden farklı olarak elastik modülü değerleri mekanik testlerle değil titreşim testleriyle elde edilmiştir. Tüm bunlar katmanlı imalat ile üretilen parçaların konvansiyonel yöntemlerle üretilen parçaların yerine kullanılabileceğini göstermektedir. İleriki çalışmalar kısmında ise öneriler listelenmiştir. Katmanlı imalatın önemli avantajlarından biri birden fazla parçadan oluşan yapıların kaynak prosesi veya cıvatalı bağlantıya gerek kalmadan yekpare olarak üretilebilmesidir. Bu nedenle birden fazla parçadan oluşan bir yapı hem kaynak prosesi veya cıvatalı bağlantı içeren konvansiyonel yöntemle hem de yekpare olarak katmanlı imalat ile üretilip test edilerek katmanlı imalatın bu tip parçaların sönüm seviyelerindeki etkisi incelenebilir. Ayrıca, malzeme yoğunluğunun elastik modüle bağlı olarak verildiği grafik, çok sayıda farklı yoğunluk değerine sahip katmanlı imalat parçaların eklenmesi ile eğilimin daha iyi temsil edildiği bir grafik haline getirilebilir.
Özet (Çeviri)
Metal Additive Manufacturing (AM) technologies, namely, Selective Laser Melting (SLM) and Electron Beam Melting (EBM) have become very popular in recent years. Many companies in manufacturing industry are investing in AM technologies and they are in the process of adapting AM into their manufacturing cycles. Companies are aiming to replace the conventional processes like casting and forging by AM technologies because of the advantages that AM offers. In order to achieve this and certify AM parts, substantial testing requirements have to be met, which are costly in terms of raw material and labor and time consuming. During the adaptation of AM technologies, vibration testing can be utilized to obtain representative dynamic models of AM parts. Mathematical model of the structure based on experimental route can be used to validate and update numerical models. Within the scope of this thesis, first of all, general information regarding additive manufacturing technologies is presented. Then, SLM process, which is a powder bed additive manufacturing method used in this thesis, is investigated in detail. The current problems in using this process are outlined and a literature survey is conducted regarding material properties of structures manufactured by conventional and AM technologies. At the end of the first chapter, the objectives and the scope of the thesis are described. In the second chapter, theoretical basis on vibration testing is given, including topics related to vibration measurement, identification of modal parameters and comparison and correlation. Some topics related to reliable vibration measurements such as averaging, aliasing, leakage and coherence are briefly described. Then, peak picking, circle fit and line fit methods, which are some of the basic methods of modal parameter estimation techniques, are explained. In this thesis, circle fit method in ICATS software is used in order to get natural frequencies and damping levels of structures. The third chapter presents material properties for FE models. Material properties for conventional and additive manufacturing samples are estimated using impulse excitation test method in order to provide material properties for FE models. In fourth chapter, finite element models and the corresponding results are obtained for conventional and additive manufacturing parts. FE model is developed so as to predict the first 6 elastic vibration modes. The FE models are developed using the ABAQUS software. Natural frequencies and mode shapes are obtained using FE models for both conventional and AM parts. The fifth chapter describes the vibration tests performed on structures manufactured using AM and conventional methods for comparison purposes. Experimental setup is prepared and some preliminary tests are conducted first. Natural frequencies and damping levels are obtained using vibration tests for both conventional and AM parts. In the sixth chapter, experimental and theoretical results are compared and FE model is validated for conventional part. FE models of AM parts which are manufactured using different process parameters are updated according to the natural frequencies identified experimentally. This process allowed estimation of more accurate material properties, yielding more realistic and representative FE model for AM parts. In the last chapter, some concluding remarks are made and suggestions for future work are provided. It is concluded that maximum 2.763% difference in natural frequency results between parts manufactured by conventional methods and parts manufactured by AM technology suggests that parts manufactured by AM technology can be used as counterparts for parts manufactured by conventional methods. Loss factor results show that similar or higher damping levels compared to conventional manufacturing methods can be obtained by AM technology. It is also concluded that a specific part with specific Young's modulus, damping level and density/porosity value can be manufactured by adjusting AM process parameters. It is shown in this thesis that natural frequencies decrease and damping levels increase with increasing porosity levels. For future work, it is suggested that the damping originated from welding or assembling via bolts and nuts in an assembled structure can be investigated by manufacturing an alternative“single piece assembly”using AM technology. The damping levels of this“single piece assembly”can be compared with those of the equivalent structure assembled by multiple subparts manufactured using conventional methods.
Benzer Tezler
- Katmanlı imalat süreçlerinde plastik malzemelerin ısı altındaki davranışı ve üretime etkisi
Thermal behavior of plastics during additive manufacturing process and impact of production parameters
BÜRYAN TURAN
Doktora
Türkçe
2024
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. KADİR KIRKKÖPRÜ
- Design of the main landing gear for a trainer aircraft with topology optimization
Eğitim uçağı ana iniş takımının topoloji optimizasyonu ile tasarımı
IRMAK FEROĞLU
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Havacılık Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. VEDAT ZİYA DOĞAN
- Filament beslemeli 3D yazıcının nozul bölgesinin sonlu elemanlar yöntemi ile modellenmesi ve analizi
Finite element modeling and analysis of nozzle area of filament feed 3D printer
OĞUZHAN EMRE AKBAŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ATAKAN ALTINKAYNAK
- Eriyik yığma ile modelleme (FDM) yönteminde filament kalınlığının üretilen plakaların mekanik özellikleri ve dinamik davranışı üzerindeki etkisi
The effect of the filament thickness on mechanical properties and dynamic properties of the produced plates in the fused deposition modelling (FDM) method
TAHA MEMUR
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Otomotiv MühendisliğiBursa Uludağ ÜniversitesiOtomotiv Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. RUKİYE ERTAN