Modeling of temperature field, residual stresses and distortions in direct laser metal sintering
Direkt metal sinterleme yöntemlerindeki sıcaklık alanlarının, artık gerilmelerin ve çarpılmaların modellenmesi
- Tez No: 547638
- Danışmanlar: PROF. DR. İSMAİL LAZOĞLU
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 200
Özet
Bu çalışmada, lazerli eklemeli imalat süreci parametrelerinin parça üzerindeki termal ve mekanik etkileri araştırılmıştır. Eklemeli imalat üzerine detaylı bir literatür araştırması yapılmıştır. Süreç parametrelerinin parça üzerindeki etkilerini (mekanik özellikler, artık gerilme, çarpılma vb.) belirlemede ilk adım olarak termal modelleme çalışması yapılmıştır. Termal modelde, hareketli lazer matematik modeli, toz yatağı malzeme modeli, erime mekanizması ve indeksleme yöntemi geliştirilmiştir. Termal model sonuçları literatürdeki örnek deneysel çalışmalarla karşılaştırılmış ve yakın sonuçlar alınmıştır. İkinci aşama olarak hem analitik hem sonlu elemanlar metodu kullanılarak, termomekanik ve termal-mekanik model çalışması yapılmıştır. Geliştirilen termal model ile beraber ya da ayrı çalışan, zamana bağlı ya da bağımsız dört farklı sonlu eleman tabanlı mekanik model geliştirilmiştir. Geliştirilen bu sonlu eleman tabanlı modellerden hem çözüm süresi hem de tahmin doğruluğu açısından en hızlı ve doğru çözüm yapanı seçilmiştir. Deney doğrulamasında, geliştirilen analitik ve sonlu eleman tabanlı modelleri kullanılmıştır. Deneyler sonucunda, basit geometriler için analitik modelin kullanılabildiği ancak daha karmaşık geometrilerde kullanılamadığı görülmüştür. Öte yandan, sonlu eleman tabanlı model gerek basit gerekse karışık geometriler için deneylere yakın sonuçlar vermiştir. Son olarak, geliştirilmiş termomekanik model serbest yüzeyli geometriler ve ince cidarlı geometriler üzerinde denenmiştir. Dört adet serbest yüzeyli ve yedi adet ince cidarlı parça için eklemeli imalat modeli koşturulmuş ve üretilmiştir. Endüstriyel parçalar üzerinde yapılan bu deneyler, geliştirilen artık gerilme ve çarpılma modelini doğrulamak için yapılmıştır. Geliştirilen modelden alınan sonuçların, deneysel ölçümlere yakın olduğu görülmüştür. Şu nokta belirtilmelidir ki, geliştirilmiş olan bu model sayesinde, çok kısa çözümleme süresiyle endüstriyel parçaların eklemeli imalat modellemesi literatürde ilk defa başarılmıştır. Bu tez kapsamında geliştirilen özgün model, bu açıdan bir ilki gerçekleştirmiş ve insansız hava araçlarının motor parçalarının eklemeli imalat yönteminde ortaya çıkan sıcaklık, artık gerilme ve çarpılma modellemesinde kullanılmıştır.
Özet (Çeviri)
Additive manufacturing provides new opportunities for weight reduction in the aerospace industry where high fly-o-buy ratio is desired. Selective laser sintering of advanced engineering materials like Nickel super-alloys are also expanding to reduce the cost and time of the manufacturing in the aerospace industry. Elevated temperature and temperature gradients are critical factors in selective laser sintering of metals and they significantly affect the quality and integrity factors of produced parts such as microstructures, porosity, residual stresses and distortions. Therefore, an advanced simulation tool is needed to predict the temperatures, temperature gradients and molten pool geometries for a better understanding of the physics of the selective laser melting process as well as process optimizations. Moreover, it is essential to predict residual stresses and distortions so that preventive actions such as support design or changing build direction can be taken. Although researchers have been studying for more than a decade to understand and model the complex physical phenomena involved in the Direct Laser Metal Sintering (DMLS) process, the solutions provided in the literature are not fully applicable in industrial cases due to long computation time. This thesis, introduces an adjustable finite element based multi-physics and multi-software platform thermal model for direct metal laser sintering (powder bed systems) to predict the transient temperature and the molten pool geometry. The developed model is able to simulate 3D transient temperature and molten pool shape in the laser additive manufacturing process by including the features of melting and solidification, porous media and temperature-dependent thermal material properties for different materials. A set of experiments of Inconel 625 is carried out in order to measure the size of the molten pool and to validate the developed thermal model. An experimental study on temperature distribution carried out with Titanium and an experimental study on molten pool sizes carried out with Inconel 625 in the literature are also compared with the developed thermal model. The prediction errors of the developed model are in the range of 11 – 18 %. Moreover, an analytical approach and a multi-physics based finite element modeling approach are introduced in this thesis for quick estimation of the residual stresses and distortions of the parts in the direct metal laser sintering. The modeling approach incorporates the features of plasticity and hardening mechanism into the FEM environment. FEM simulation results on residual stress and distortions are validated by experimental measurements on Inconel 625. The simulation results agree with the experimental measurements within a range of 0.2 – 9%. Finally, the developed thermo-mechanical model is tested for complex freeform and thin-walled structures. Four freeform and seven thin-wall structures are additively manufactured and simulated. Experiments on thin wall hallow and complex freeform structures are performed in order to validate the developed model for the residual stresses and distortions in direct metal laser sintering process in industrial parts. The simulation results agree well with the experimental measurements. It should be noted that for the first time in the literature, additive manufacturing of industrial parts can be successfully simulated in much shorter computation time using the developed model. The unique model developed in this thesis is used in the aerospace industry in the thermal, residual stress and distortion simulations of additive manufactured engine parts of the unmanned air vehicles.
Benzer Tezler
- Mechanics and thermal modeling of micro milling
Mikro frezelemenin mekaniği ve ısı modellemesi
ALİ MAMEDOV
Doktora
İngilizce
2015
Makine MühendisliğiKoç ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSMAİL LAZOĞLU
- Toz yatağında katmanlı imalat prosesinin sonlu elemanlarla modellenmesi
Process modeling of powder bed fusion additive manufacturing with finite element method
FATİH YARDIMCI
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ZAHİT MECİTOĞLU
- Computational modeling of hardening concrete at mesoscale
Sertleşen betonun mezo ölçekte hesaplamalı modellenmesi
ÇAĞLAR YILMAZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
İnşaat MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SERDAR GÖKTEPE
- Temperleme işlemi ile düz camlarda montaj delikleri civarında oluşan gerilme alanının fotoelastisite yöntemi ile analizi
The analysis of stress distribution due to the tempering process by the method of photoelasticity around the mounting holes in the flat glass
CUMA UMUR DUMAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ MEHMET ŞEREF SÖNMEZ
DR. ÖĞR. ÜYESİ OSMAN BULUT
- Talaş kaldırma işleminin sonlu elemanlar yöntemi yardımıyla analizi
Başlık çevirisi yok
VAHİT KAYA
Yüksek Lisans
Türkçe
1997
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. MUZAFFER ERTEN