Geri Dön

Numerical analysis of additive manufacturing of maraging steel

Yüksek dayanımlı çeliğin 3 boyutlu yazıcı ile imalatının sayısal analizi

PDF İndir

  1. Tez No: 532934
  2. Yazar: MOBIN MAJEED
  3. Danışmanlar: PROF. DR. MURAT VURAL
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2018
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Malzeme ve İmalat Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 97

Özet

Eklemeli İmalat (Eİ) kullanımı, yakın zamanda Avrupa ve yakın çevresinde bulunan büyük şirketlerin çoğu tarafından genişletilmiştir. Artık karmaşık metalik geometrilerin üretilmesi mümkün ve proses sadece prototiplerle sınırlı değildir. Eklemeli imalat günümüzde otomotiv, havacılık ve uzay endüstrisi, enerji sektörü, tıbbi cihazlar ve alet ile işleme gibi imalat şirketlerinin çoğunda çok yaygınlaşmıştır. Herhangi bir ürün herhangi bir montaj gerekmeden veya bazen 1 geçişte minimum montajla inşa edilebileceği için avantaj oluşturmaktadır. Eklemeli imalatta, bir ince toz tabakası lazer veya elektron ışını kullanımıyla eritilir ve birleştirilir. Daha sonra başka bir toz tabakası oluşturulur ve önceki tabaka üzerinde titizlikle eritilir. İşlem, inşa edilen parçanın istenen yüksekliğini elde etmek için defalarca tekrarlanır. Eİ, kullanılan güç kaynağına ve toz uygulama işlemine bağlı olarak EBM, LBM, DED ve 3B baskı dahil birçok türde olabilir. EÜ prosedürü basit bir 3 boyutlu CAD dosyasından başlar. Bu dosya daha sonra, eklemeli imalat makinesi için uyumlu bir başka formata dönüştürülür. Bu format STL dosyasıdır. STL dosyası, CAD modelini farklı boyutlarda küçük üçgenlere ayırır ve konumlarının yanı sıra parçaların iç ve dış kısımlarını da depolar. STL dosyasında saklanan bilgilere göre, model eşit yükseklikte küçük dilimlere bölünür. Parça geometrisi bir dilim ile sabittir. Dilimlenmiş veri, daha sonra parça üretimi için eklemeli imalat sistemine aktarılır. Selektif lazer eritme işleminde, lazerin gücü seçici olarak metali eritir ve bu sıvı eriyik havuzu oluşturur. Lazer o bölgeden geçerken eriyik havuzu aniden katılaşır. Ardışık parçalar tarafından tozların erimesi bir tabaka oluşturur. Bu katmanlar birlikte CAD modelinin verilerine göre katı geometriyi oluşturmak için üst üste birleştirilir. Bitişik tabaka ve parçaların güçlü bir şekilde tutturulması için önceki tabakanın kısmi yeniden eritilmesi ve tarama izinin örtüşmesi yapılır. Bu aynı zamanda, gerekli izotropi derecelerinde daha yüksek bir yoğunlaşma ve tek tip özelliklere yol açmaktadır. Bu alanda çoğunlukla kullanılan malzemelerden bazıları AlSi10Mg, Ti6Al4V, paslanmaz çelik ve yüksek dayanımlı çeliktir. Bunlardan en yaygın olanı AlSi10Mg'dir. Bu popülerliğin ardındaki sebep onun düşük ağırlığının yüksek mukavemet ve kırılma tokluğu ile birleştirilmesidir. Başlıca uygulama alanı otomotiv ve havacılık mühendisliğidir. AlSi10Mg, Ti6Al4V vb. ile ilgili birçok araştırma yapılmıştır. Maryaşlandırma alanı hala keşfedilmemiş halde iken. Bu, Eİ'de analiz için yüksek dayanımlı çeliğin seçilmesinin nedenidir. Bu tezin amacı, bazı yaygın güç, hız, spot büyüklüğü, penetrasyon derinliği vb. parametreleri dikkate alarak eriyik havuzu şeklini ve boyutunu analiz etmektir. SLM'de soğutma oranı, ani katılaşma yüksek dayanımlı çelikte iğne martensit oluşumunu kısıtladığı için hızlıdır. Titanyum ve alüminyum birleşik oksitlerin (Ti02: A1203) daha büyük kalıntıları, 10 ila 20 µm boyutlarında mevcuttur. Bunlar yaşlı koşullarda mekanik özelliklerin düşürülmesinden sorumludur. Yapısal olarak paslanmaz çelik parça, sünek, düşük karbonlu bir hacim merkezli kübiktir ve martensitik bir yapıya sahiptir. Nispeten daha iyi dayanım ve sertliğe sahip yüksek dayanımlı çelik yaşlandırma sertleşmesi ve yaşlandırma ile elde edilir. Yaşlanma işlemi nikel bakımından zengin metaller arası çökeltileri düzgün bir şekilde dağıtır. Bu çökeltiler martensitik yapının güçlendirilmesinin arkasındaki nedendir. Ve bu çökeltiler aynı zamanda martensitin ostenit ve ferrite geri çevrilmesini de sınırlar. Katılaşma sırasında uzun taneler eriyik havuzunun merkezine doğru büyür. Epitaksiyel büyüme sadece erime havuzunun merkezi gibi bazı yerlerde görülür. Merkezden uzakta küçük çekirdekli taneler oluşur. Erime havuzunun merkezine doğru birkaç tane parçacık ulaşabilir . Eş eksenli taneler, erime havuzunun tepesinde oluşur. Bir sonraki tarama katmanı, daha önce katılaştırılmış katmanı tekrar eritir ve bu da, eşeksenli tanelerin erime havuzunun üstünden kaybolmasına neden olur. Bu, sadece son eriyik havuzunun üst katmanında değişmeden kalan parçacıklara neden olur . Bu aşamada eklemeli imalatın performansını etkileyen, tarama hızının artması ile artan ve maximum değere ulaşan yoğunluk gibi çeşitli faktörler söz konusudur. Maksimum yoğunluk noktası farklı tarama hızlarına göre değişir. Tarama hızına karşı yoğunluk, parabolik bir değişim gösterir. Daha yüksek lazer gücü için, düşük tarama hızında minimum düşük yüzey pürüzlülüğüne ulaşır. Erime havuzu sabit kalırsa, yüzey yoğunluğu artan enerji yoğunluğu ile artar. Genellikle, lazer farklı tarama stratejileri ile uygulanır. Yüzey pürüzlülüğü, gözeneklilik seviyesi, mikro yapı ve ısı birikimi temel olarak tarama stratejisine bağlıdır. Farklı tarama stratejileri tek yönlü tarama, çift yönlü tarama, 2 kat arasında tarama yönünün döndürülmesi, tarama alanını ada taraması olarak adlandırılan küçük adalara bölmektir. Oksijen erimiş metal ile yüksek sıcaklıkta reaksiyona girer ve metal oksit oluşturur. Metal oksit, üst ve alt kısımdaki sürekli erime nedeniyle esas olarak kenarlarda bulunur. Katkı maddesi imalatındaki metal oksitlerin çoğu, kırılmaları zor olduğu Alüminyum'da bulunur. Oksijen ve oksit oluşumunun sıkışmasını önlemek için, oksit tabakasını önceki katman üzerinde eritecek yüksek sıcaklıkta ısı kullanılması tavsiye edilir. Daha iyi tarama stratejileri ve tarama parametresi, Argon gibi soygaz kullanımı, oksit oluşumunu önemli ölçüde kontrol edebilmektedir. Birim uzunluktaki P / v başına düşen enerji arttırılarak erimiş havuz hacmi daha fazla büyür ve viskozite düşer. P / v azalırken geri tepme basıncı belirginleşir ve tarama izlerini bozar. Verilen tarama hızı enerjisini daha fazla arttırmak suretiyle tozu tamamen eritmek ve ilk katmanı kısmen eritmek için yeterli değildir. Bu, kararsızlık ve damlacıkların oluşumu ile sonuçlanır. Tarama hızı arttıkça göreceli yoğunluk azalır. Bu azalma düşük tarama hızında önemli olmamasına ragmen yğunluktaki bu azalmanın nedeni, birim alan başına sağlanan enerjinin lazer tarafından azaltılmasıdır. Çeşitli analizler, katman kalınlığının 30 um ila 40 um arasında arttırılması, yoğunluğun çok az azalırken tarama süresinde % 25 azalma oluştuğunu göstermektedir. Tarama hızını çok düşürerek, tamamlanmamış erime nedeniyle yoğunluk azalır. Bu tez çalışmasının temel amacı, maraging çeliği kullanılarak eklemeli imalatla elde edilen parçalarda ergimiş havuzun modellenmesi, sıcaklık profili tahmini, maksimum sıcaklık ve ergimiş havuzun derinliğinin tahminidir. ANSYS analiz yazılımının APDL kısmı kullanılarak çalışma ve simülasyon yapılmıştır. Analize başlamadan önce elastisite modülü, young modülü, yoğunluk, başlangıç sıcaklığı, ısıl iletkenlik, özgül ısı, ısıl genleşme katsayısı vb. gibi özellikler, kullanıcı arayüzü veya ANSYS kodları kullanılarak yazılıma girilir. Girdi verilerine dayanarak, problem çözülmekte ve sonuçları görüntülemek, gerekli grafikleri çizmek için daha sonraki işlemler yapılmaktadır. Bu çalışmada PLANE55 ve SOLID70 olmak üzere iki tip malzeme seçilmiştir. PLANE55 sürekli hal ya da geçici ısıl analiz ve her bir düğümünde tek bir serbestlik derecesi için tasarlanmıştır. Bu analizler aynı şekilde SOLID70 (Şekil 9.2) için, 3D olarak uygulanmıştır. Bu analizin yapılması için model olarak küçük kübik bir şekil seçilmiştir. Modelin boyutları x = -0.6e-3 mm, y = 1.25e-3 mm, z = -0.8e-3 mm olarak seçilmiştir. Analizi ANSYS programında yapabilmek için modeli daha küçük parçalara bölmemiz gerekir. Daha küçük parçalarla analiz yapılmasının temel sebebi analizin daha verimli, doğru ve mikro ölçekte yapılabilmesidir. Gövdeye uygulanan yük tüm parçalara dağıtılarak her parça için analiz yapılmıştır. Problemin çözümünde doğruluk ve hız parçalamaya bağlıdır. Bu analizde multizon metodu kullanılmıştır. Bu metot verilen sekli küçük küplere ayırarak uygulanır. Küçük parçalar analiz için daha fazla süre gerektirir. Zaman tüketimini azaltmak için çalışmamızı çok ilgilendirmeyen yerlerde büyük parçalar kullanılırken çalışacağımız bölgede küçük parçalar kullanıldı. En fazla 39401 nokta oluşurken 36818 parça oluşmuştur. Analiz yalnızca 3 katman için yapılmıştır çünkü daha fazla katman ile analiz yapılması çok fazla zaman harcanmasına sebep olacaktır. Bu durumda 80, 100, 120 W güç girdisi değerleri, 400, 600, 800, 1000 mm/s tarama hızları icin seçilmiştir. Bir katmanın kalınlığı 30 µm'dir. Gönderilen lazer ilk birkaç katmana nüfuz edebilmiştir. Toz tabakası üzerine lazer geldiğinde, daha önce oluşturulmuş tabakanın yanı sıra toza belirli bir derinliğe kadar nüfuz eder. Bunun sonucunda daha önceden oluşmuş toz katmanı tekrar erir ve yaklaşık 3 katman kalınlığında eriyik havuz oluşur. Bu sebeple bu çalışmada nüfuziyet derinliği 100 µm olarak alınmıştır. Lazer çapı 100 µm olarak alınmıştır. Yüksek dayanımlı çeliğin özellikleri sabit olup sıcaklıkla değişmez olarak kabul edilmiştir. Analiz sırasında sıcaklığa bağlı değişen özellikler dikkate alınmıştır. Eriyik havuzunun şekil, boyut ve sıcaklık dağılımı Şekil 9.10 ila 9.15 arasında gösterilmiştir. Analizin yapılması çok fazla zaman harcanmasına sebep olacağı için yalnızca 3 katman için yapılmıştır. Sıcaklık ve eriyik havuz davranışı; 3 katman ile güç ve hız kombinasyonu için simüle edilir. Tablo 9.12, elde edilen sıcaklığı ve güç hız kombinasyonuna dayanan eriyik havuz derinliğinin simulasyon sonucunu gösterir. Eriyik havuz derinliğinin yanı sıra katmanlara karşı sıcaklığın sonuçları çizilmektedir. Şekil 9.10 ile Şekil 9.12, sıcaklık davranışını gösterir. Şekil 9.13 ile şekil 9.15 e kadar olan şekiller ise eriyik havuz derinliğinin davranışını gösterir. Daha fazla katman eklenerek sıcaklık ve eriyik havuz derinliğinin arttığı saptanmıştır. Ayrıca bunların her ikisi de hızın artmasıyla azaldığı belirlenmiştir. Bunun nedeni, diğer parametreleri sabit tutarken hızı artırarak mevcut birim hacim başına enerji değerindeki düşüş olabilir.

Özet (Çeviri)

The usage of Additive Manufacturing (AM) is very recently expanded with most of the major companies located in the vicinity of Europe and nearby. It is now possible to manufacture complex metallic geometries and the process is not only restricted to prototypes. Additive manufacturing is now making a revolution in most of the manufacturing companies for example automotive, aerospace industry, energy sector, medical instruments and tooling. It has advantage as any product can be built in minimum assemblies some time in 1 pass not requiring any assembly at all. In additive manufacturing a layer of fine powder is being melted and consolidated with the use of laser or electron beam. Then another powder layer is arranged and selectively melted on the previous layer. The process is repeated again and again in order to achieve the required height of built part. AM can be many types including EBM, LBM, DED and 3 D printing depending on the power source used and process of application of powder. The procedure of AM starts from a simple 3 D CAD file. The file is then converted to the another format compatible for additive manufacturing machine. This format is STL file. STL file converts the CAD model into small triangles of different sizes and stores their location as well as interior and exterior of parts. Based on the information stored in STL file, the model is divided into small slices of equal height. The part geometry is constant with one slice. The sliced data is then transfer to additive manufacturing system for part fabrication. In selective laser melting process power from laser selectively melts the metal and that forms a liquid melt pool. The melt pool suddenly solidifies as the laser passes that area. The successive melting of powder by consecutive tracks forms 1 layer. These layers are together consolidated one above other to form the solid geometry according to the data of CAD model (Figure 6.1). For strong bond of tracks and adjacent layer partial remelting of previous layer and overlapping of scan track is done. This also leads to higher densification and uniform properties with required degrees of isotropy. Some of the mostly used materials in this filed are AlSi10Mg, Ti6Al4V, stainless steel and maraging steel. Most common material among these is AlSi10Mg. The reason behind this popularity is its low weight combined with high strength and fracture toughness. Its main application is in automotive and aerospace engineering. A lot of research has been done related to AlSi10Mg, Ti6Al4V etc. While the area of maraging is still remain unexplored. This is the reason that maraging steel has been chosen for analysis in AM. The purpose of this thesis is to analyze the melt pool shape and size considering some common parameters of power, speed, spot size, penetration depth etc. In SLM cooling rate is fast so sudden solidification restricts formation of lath martensite in maraging steel. Large inclusions of titanium and aluminum combined oxides (TiO2:Al2O3) are present with size 10 to 20 µm. These are responsible for lowering the mechanical properties in aged conditions. As built maraging steel part is a ductile low carbon body centered cubic and has a martensitic structure. The relatively better strength and toughness of maraging steel is achieved by age hardening and aging. The aging process uniformly distribute the fine nickel rich intermetallic precipitates. These precipitates are the reason behind the strengthening of martensitic structure. And this precipitates also restricts the reversion of martensite to austenite and ferrite. During solidification elongated grains grows towards the center of the melt pool (Figure 6.6). Epitaxial growth occurs only at some places like center of melt pool. Far from the center small nucleated grains forms. Few grains can grow towards the center of melt pool. Equiaxed grains forms at the top of melt pool. Next scanning layer remelts again the previously solidified layer which results in the disappearance of equiaxed grains from the top of melt pool. This causes only grains remain are those on the top layer of last melt pool. There are various factors that affects the performance of additive manufacturing like the density increases with increasing scan speed and reaches a maximum value. The maximum point of density varies with different scan speeds. The density vs scan speed shows a parabolic pattern. For higher laser power, minimum lower surface roughness reaches at lower scan speed. If melt pool remains stable surface quality improves by increasing energy density. Generally, laser is applied with different scanning strategies. Surface roughness, porosity level, microstructure and heat buildup depends mainly on scanning strategy. Different scanning strategies are unidirectional scanning, bidirectional scanning, rotation of scanning direction between 2 layers, dividing the scanning area into small islands called island scanning. Oxygen reacts with molten metal at high temperature and forms metal oxide. The metal oxide is mainly found at the edges because of the continuous melting at top and bottom. Most of the metal oxides in additive manufacturing are found in aluminum as they are hard to break. In order to avoid the trapping of oxygen and oxide formation, it is recommended to use high incident heat which will melt the oxide film on the previous layer. Better scanning strategies and scanning parameter, use of noble gases like argon can significantly control the formation of oxide. By increasing the energy per unit length P/v, melt pool volume become bigger and viscosity reduces. While decreasing P/v, recoil pressure become significant and distort scan tracks. By further increasing the scan speed energy given is not enough to fully melt powder and partially melt the substrate. Which results in instability and formation of droplets. Relative density decreases with increasing scan speed. The reason of this decrease in density is the reduction of energy supplied per unit area by laser. Although this reduction is not significant at lower scan speed. Various analysis shows that by increasing the layer thickness from 30 µm to 40 µm results in 25 % reduction in scanning time while very little reduction in density. By much lowering scan speed, reduction in density is obtained due to balling effect. The main purpose of this thesis is the modeling of melt pool, estimation of temperature profile, maximum temperature and melt pool depth in maraging steel additive manufacturing components. Study and simulation is done using APDL part of ANSYS analysis software. Before starting the analysis material properties such as elastic modulus, young modulus, density, initial temperature, thermal conductivity, specific heat, coefficient of thermal expansion etc. are entered into the software either using user interface or ANSYS codes. On the basis of input data, the problem is being solved and further post processing is done in order to view the results, plot the necessary graphs. In the present study two element types PLANE55 and SOLID70 are chosen. PLANE55 (Figure 9.2) is designed for steady state or transient thermal analysis and having single degree of freedom temperature at each node. Similarly, the same conditions apply to SOLID70 (Figure 9.2) except that it is used for 3D analysis. In present analysis a small cuboidal shape model is chosen to do the analysis. Model is having the dimensions of x = -0.6e-3 mm, y = 1.25e-3 mm, z = -0.8e-3 mm. For performing an analysis in ANSYS it is necessary to divide the part into small meshes. The main purpose of meshing is to perform efficient, accurate and micro analysis. Whole load which is being applied on body is distributed in each mesh and analysis is done in every mesh. Convergence, accuracy and speed is dependent on meshing. In present analysis, multizone method is used. As it divides the geometry into small cubes. Finer mesh takes more time for analysis. To avoid time consumption, coarse mesh is used on part of body with little interest while finer mesh is done on the area of interest. The maximum number of nodes formed are 39401 and elements are 36818. In this case the power input is taken as 80, 100, 120 W combined with scan speeds of 400, 600, 800, 1000 mm/s. The thickness of 1 layer is 30 µm. When laser is incident upon the powder layer it penetrates till certain depth into the powder as well as previously formed layer. The effect of this penetration leads to the re melting of previously formed layer of powder which results in melt pool depth of approximately 3 layers thick generally. So in this study penetration depth is assumed as 100 µm. The diameter of incident laser or spot diameter is taken as 100 µm. The properties of maraging steel are fixed and don't change with temperature. While during analysis temperature dependent properties are taken into account. The melt pool shape, size and temperature distribution is shown in the following figure 9.10 to figure 9.15. Analysis is done using 3 layers of maraging steel as including more layers will increase the simulation time. . The temperature and melt pool behavior is simulated for 3 layers and combination of power and speed. Table 9.12 shows the achieved temperature and melt pool depth result of simulation based on these combinations of power and speed. The results of temperature as well as melt pool depth versus layers is being plotted. Figure 9.10 to figure 9.12 shows the behavior of temperature. While figure 9.13 to figure 9.15 shows the behavior of melt pool depth. It has been found that temperature and melt pool depth increases with addition of further layers. Also both of these found to be decreasing by increasing the speed. This may be attributed to decrease in value of energy per unit volume available by increasing the speed while keeping other parameters constant.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    397873

    Plastik ambalaj üretim tesisinde iş sağlığı ve güvenliği risk değerlendirmesi

    Occupational health and safety risk assesment of plastic packaging production facilities

    KÜBRA ÇİÇEK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2015

    Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. FATMA GÜLEN İSKENDER

  2. Tez No

    664095

    Structural design and analysis of an impact resistant auxetic metamaterial

    Darbe dayanım özellikli auxetic metamalzemenin yapısal tasarımı ve analizi

    SERCAN GÖK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Savunma ve Savunma Teknolojileriİstanbul Teknik Üniversitesi

    Savunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MESUT KIRCA

  3. Tez No

    853610

    Isı değiştiricide üçgen profilli kanatların kullanılmasının ısı transferi ve basınç düşümüne etkilerinin hesaplamalı akışkanlar dinamiği ve deneysel yöntemlerle incelenmesi

    Numerical and experimental analysis of heat transfer performance and pressure drop affect of using triangular fins on the heat exchanger

    HAMDİ SELÇUK ÇELİK

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Makine MühendisliğiEskişehir Osmangazi Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. LATİFE BERRİN ERBAY

    DOÇ. DR. BAHADIR DOĞAN

  4. Tez No

    668116

    Bağlayıcı püskürtme eklemeli imalat parametrelerinin CoCr-Mo (F75) alaşım için çok amaçlı optimizasyonu

    Multi objective optimization of binder jetting additive manufacturing process parameters for CoCr-Mo (F75) alloy

    AHMET SELİM KOCA

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. EMRECAN SÖYLEMEZ

    DR. ÖĞR. ÜYESİ RECEP ÖNLER

  5. Tez No

    673100

    Kafes yapılı malzemelerde gerinim tabanlı yorulma ömrü hesabı

    Fatigue life calculation of lattice structure by using strain based method

    ARDA İDRİS ÖZAY

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    Makine MühendisliğiTOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ RECEP MUHAMMET GÖRGÜLÜARSLAN

Geri Dön