Compressive strength and characterisation of additively manufactured double gyroid lattice structures
Katmanlı imalat ile üretilmiş çift gyroıd kafes yapısının basma dayanımı ve karakterizasyonu
- Tez No: 557598
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ MEHMET ŞEREF SÖNMEZ, DR. ÖĞR. ÜYESİ EVREN YASA
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 121
Özet
Kafes yapılarıyla oluşturulmuş malzeme tasarımları gün geçtikçe daha çok önem kazanmaktadır. Bu yapıların geometrileri, değiştirilebilir ve uygulama alanına göre uyarlanabilir mekanik özelliklere sahip olmalarını sağlamaktadır. Özellikle taşımacılık, havacılık ve uzay sanayii, ulaşım, kişisel koruyucu donanımlar ve zırh malzemesi gibi alanlarda kafes yapılı hücresel tasarımlı malzemeler değerlendirilmektedir. Katmanlı imalat yöntemlerinin gelişmesiyle birlikte, geleneksel üretim yöntemleriyle üretilmesi verimsiz, zorlu veya imkansız olan karmaşık geometrili kafes yapılarının üretilebilirliği mümkün kılınmıştır. Kafes yapıları temel olarak birim hücrelerden oluşmaktadır. Birim hücrelerin üç boyutta kendilerini tekrar etmeleri neticesinde istenen hacmi doldururlar. Birim hücre geometrileri ve bütün hacmin katı hacmine oranı yani doluluk oranı, bütün yapının davranışlarını belirleyen parametrelerdendir. Yapıdaki yüksek oranda yüzey alanı, boşluk miktarı ve bu parametrelerin değiştirilebilmesi kafes yapılarının ısı aktarımı veya yalıtımı gerektiren birçok uygulamada kullanılmasına olanak tanımıştır. Kafes yapısıyla üretilmiş bir tasarımın mekanik özellikleri de bahsedilen parametrelerle ayarlanabilmektedir. Farklı birim hücrelerin farklı mekanik özellikler sağladıklarını şimdiye kadar yapılan çalışmalarla belirlenmiştir. Özellikle darbe dayanımı gerektiren uygulamalarda, yapıdaki yüksek boşluk oranı sayesinde darbeden aktarılan enerji, yapının içindeki birim hücrelerin plastik deformasyona uğramasıyla soğurulmaktadır. Bu şekilde enerji sönümlenmesi gerçekleştirilir ve parçanın diğer tarafına aktarılması engellenir. Tasarım parametrelerinin kafes yapılarının mekanik özelliklerini nasıl etkilediğinin anlaşılması, bu yapıların mühendislik uygulamalarında daha yaygın bir şekilde kullanılmaları için önem arz etmektedir. Literatürde, birçok farklı kafes yapısının analiz yahut test ile mekanik özelliklerinin anlaşılması üzerine çalışmalar mevcuttur. Katmanlı imalat üretim yönteminin olgunlaşmasıyla yoğunlukla metalik malzemelerin atom dizilimlerinden yani kristallografilerinden etkilenilerek önerilmiş birim hücre tasarımları denenmeye başlanmıştır. Yüzey merkezli kübik veya hacim merkezli kübik gibi birim hücre modelleri, atomların hücredeki pozisyonları arasına bağlantı elemanları yerleştirilerek payanda tipi birim hücre modelleri geliştirilmiştir. Bu modellerin çok düşük hacim oranlarında üretilebilmeleri ve çok büyük yüzey alanlarına sahip olmalarının avantaj teşkil etmesinin yanı sıra, tasarımların çoğunlukla keskin bağlantı noktaları içermesi stres konsantrasyonu oluşmasına sebebiyet vermektedir. Alternatif bir yaklaşım olarak payanda tipi birim hücreler yerine yüzey modelleri önerilmiştir.“Triply periodic minimal surface”(TPMS) ismiyle tabir edilen yüzey grubu, birim hücre geometrisi içerisinde farklı analitik ifadeler referans alınarak neticede yüksek performanslı malzeme tasarımları oluşturacak şekilde konumlandırılabilmiştir. Bu yüzey modelleri, her yönde aynı döngüsel tekrarları yapmaktadırlar, bu sebeple bu yüzey modelleri referans alınarak oluşturulan geometriler izotropiktir. Tüm yüzey geçişleri sinüzoidal hatlar takip edilerek sağlandığı için aynı zamanda köşe içermeyen TPMS'ler, stres konsantrasyonu oluşturmazlar. TPMS'ler arasında yapılan hücresel tasarımlı malzeme geliştirme çalışmaları sırasında, 1969'da tanımlanan Gyroid adı verilen yüzey tasarımı mekanik avantajlarıyla öne çıkmıştır. Gyroid yüzey modeliyle oluşturulan çift gyroid (DG) yapısı, bu çalışmada üretilen ve test ve karakterize edilen numune yapının birimlerini oluşturmaktadır. Bu çalışmada, Haynes188 ticari isimli kobalt bazlı alaşımdan oluşan toz hammadde kullanılarak katmanlı imalat yöntemiyle üretilen DG yapılarının basma mekanik özelliklerinin birim hücre boyu ve et kalınlığından nasıl etkilendiğinin anlaşılması amaçlanmıştır. Bu amaçla, 24 mm birim ölçüye sahip küp geometrili numuneler, 6, 8 ve 12 mm birim ölçülü bitim hücre DG yapılarıyla tasarlanmıştır. Numunelerin tamamının aynı yahut kabul edilebilir bir hata ile aynı ağırlıkta üretilebilmesi için et kalınlıkları değiştirilmiş olup, nihai olarak test edilen geometrilerde aynı hacim oranına ulaşılmıştır. Tekrarlanabilirliğin sağlandığından emin olabilmek için her geometrideki numuneden basma testi için üçer tane üretilmiştir. Bunun yanı sıra, diğer hasarlı ve hasarsız muayenelerin numuneler üzerine uygulanması için test numunelerinin yanı sıra şahit numuneler de üretilmiştir. Stereo ve ters ışık mikroskobu, üç boyutlu mikro yüzey taraması, ağırlık ölçümü uygulanan hasarsız muayeneler arasındadır. Numunelerin metalografik yapıları, numunelerin metalografik olarak hazırlanması sonrası ters ışık mikroskobunda incelenmiştir. Elde edilen sonuçlar katmanlı imalat üretim yönteminin DG yapılarının üretilmesiyle ilgili gereken ilişkilerin yorumlanmasını sağlamıştır. Basma testine tabi tutulan numuneler kamera ile test boyunca görüntülenmiş ve görüntüler elde edilen grafiklerle eş zamanlı değerlendirilerek yorumlanmıştır. Basma testinden elde edilen sonuçlar, hücresel yapıların mekanik analizleri için literatürde önerilmiş yöntemlere göre yorumlanmıştır. DG yapılarının basma dayanımları, yoğunlaşma öncesi yük kapasiteleri, toplam sönümleyebildikleri enerji miktarı ve bu niceliklerin DG birim hücre boyuyla nasıl değiştikleri belgelenmiştir.
Özet (Çeviri)
Lattice structures are gaining more importance to be utilized in structural part design due to their high strength to weight ratio, customizable relative density and loading-specific design opportunities, especially in the fields of aerospace, biomedical and automotive. Various unit cell designs have been studied in the literature inspired by the crystallographic unit cell structures such as FCC, BCC, etc. Mathematical surface model called“triply periodic minimal surface”also known as double gyroid (DG) is found to be a promising unit cell design for load bearing structural applications for its isotropy, continuous surface profile and homogeneity. The aim of this study is to understand the DG's compressive strength mechanism in relation to its unit cell size and relative density to be employed for aerospace applications. Cubic specimens containing different sizes of unit cells were manufactured using Direct Metal Laser Melting (DMLM) process on a Concept Laser M2 equipment using HAYNES® alloy powder. DMLM of this material combining excellent high-temperature strength with very good resistance to oxidizing environments up has almost never been addressed in the literature until now. Specimens were subjected to compressive testing and compressive stress-strain plots were obtained. Along with mechanical testing, witness specimens of the same configuration were printed and metallographically examined by investigating microstructural characteristics such as porosity, phases and surface roughness. Moreover, micro hardness testing was carried out on various locations of the specimens. Results and discussion are mainly focused on the relationship between microstructural properties and compressive test results. Double gyroid specific mechanical properties of HAYNES®188 produced by DMLM such as elastic moduli, specific stiffness and plateau region characteristics are among the reported outcomes.
Benzer Tezler
- Additive manufacturing and characterization of metal particle incorporated polymer matrix functionally enhanced composites
Metal parçacık ile birleştirilmiş polimer matris fonksiyonel olarak güçlendirilmiş kompozitlerin katmanlı imalatı ve karakterizasyonu
ÖZGÜR UYAR
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Metalurji MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ARCAN FEHMİ DERİCİOĞLU
- Numerical and experimental investigation on the crushing behaviour of auxetic lattice cells produced with additive manufacturing techniques
Eklemeli imalat teknikleri ile üretilmiş ökzetik kafes yapıların ezilme davranışlarının nümerik ve deneysel olarak incelenmesi
KADİR GÜNAYDIN
Doktora
İngilizce
2020
Havacılık Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HALİT SÜLEYMAN TÜRKMEN
DR. ÖĞR. ÜYESİ ANTONIO MATTIA GRANDE
- Constitutive modelling and micro-machinability evaluation of wrought and additively manufactured Ti6Al4V alloys: Experimental characterization and numerical simulation
Dövme ve eklemeli imalat yöntemi ile üretilen Ti6Al4V alaşımlarının yapısal modellemesi ve mikro işlenebilirlilik değerlendirmesi: Deneysel karakterizasyon ve nümerik simülasyon
NECATİ UÇAK
Doktora
İngilizce
2023
Makine MühendisliğiAnkara Yıldırım Beyazıt ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ADEM ÇİÇEK
PROF. DR. KUBİLAY ASLANTAŞ
- Geçiş metali katkılı atık zirkonya esaslı toz karışımlarından sinter seramik malzemelerin geliştirilmesi ve karakterizasyonu
Development and characterization of sintered ceramic materials from waste zirconia based powder mixtures with transition metal additives
HATİCE TURGUT
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA LÜTFİ ÖVEÇOĞLU
- Mechanical behavior of additively manufactured polymer composite structures and interfaces
Eklemeli imalat ile üretilen polimer kompozit yapıların ve arayüzeylerin mekanik özellikleri
MEHMET KEPENEKCİ
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Makine MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SEZER ÖZERİNÇ