Thermal finite element model to compute melt pool dimensions for directed energy deposition additive manufacturing process with experimental validation
Deneysel doğrulama ile yönlendirilmiş enerji biriktirme eklemeli imalat süreci için ergiyik havuzu boyutlarını hesaplama ile termal sonlu eleman modeli
- Tez No: 680395
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ ERALP DEMİR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Mühendislik Bilimleri, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Sabancı Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Üretim Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 88
Özet
Bir eklemeli imalat süreci olan yönlendirilmiş enerji biriktirme, bir ısı kaynağı tarafından sağlanan termal enerjinin oluşturduğu ergiyik havuzuna metal tozu enjekte edilerek parçaların katmanlar halinde üretilmesidir. Geleneksel eksiltmeli üretim yöntemleriyle karşılaştırıldığında, yönlendirilmiş enerji biriktirme, kalıp ve alet kullanımının azalması, montaj ihtiyacının azalması, karmaşık özelliklere sahip parçaların tasarlanıp üretilebilmesi ve onarım gerektiren parçalar üzerinde üretim yapabilme yeteneği ile farklı endüstrilerde ortaya çıkan bir üretim teknolojisi olarak dikkat çekmektektedir. Sürecin doğası gereği, yüksek ısı girdisi ile ortaya çıkan yüksek sıcaklık ve sıcaklık gradyanları, diğer eklemeli imalat yöntemlerinde olduğu gibi, yönlendirilmiş enerji biriktirme için de kritik ve hala çok önemli faktörlerdir. Ergiyik havuzunun yapısının ve geometrisinin doğru tahmin edilmesi ve süreç boyunca üretilen parça için yarattığı etki, parçanın nihai kalitesini büyük ölçüde etkiler. Bu çalışmada, ergiyik havuzu özelliklerini bir süreç simülasyon modeli ile daha iyi anlamak ve tahmin etmek için bir termal sonlu eleman analizi geliştirilmiştir. Model içerisinde kullanılan metal malzemeler için, sıcaklık ve hale bağımlı olan fiziksel özellikler kullanılmıştır. Modelde özgün olarak yüzey kayıplarının hacimsel bir ısı akışı olarak işlenmesi uygunlanmış, ve her bir katmanın ilave bir kullanıcı tanımlı altprogram ile eklenmesinden sonra yüzeyin yeniden tanımlanması ihtiyacı ortadan kaldırılmıştır. Ayrıca, yüksek sıcaklıklardan kaçınmak için yüzey kayıplarına eklenen buharlaştırıcı ısı kayıpları modele dahil edilmiştir. Süreç için kritik önem taşıyan süreç parametlerinden olan lazer gücünün ve tarama hızının ergiyik havuzunun yapısı üzerindeki etkisini gözlemlemek için, geliştirilen model ile karşılaştırma ve doğrulama amacıyla Inconel 718 metal malzeme ile tek ve çok katmanlı numuneler imal edilmiştir. Deneysel yöntemlerde, tezgah içerisine yerleştirilen kızıl ötesi termal kamera kullanılarak süreç içi yerinde toplanan veriler, geliştirilmiş olan görüntü işleme yöntemi ile hazırlanıp analiz edilmiş ve ergiyik havuzu alanı tahmini için model ile karşılaştırmak üzere kullanılmıştır. Ayrıca, imalat sonrası optik mikroskop ile numunelerin kesit alanları üzerinden ergiyik havuzu karakterizasyonu da incelenmiş ve elde edilen bulgular geliştirilen termal model ile karşılaştırılmıştır. Önerilen termal model, ergiyik havuzu boyutlarını hem tek katmanlı hem de çok katmanlı numuneler için ergiyik havuzu alanı, derinliği ve genişliği açısından ve lazer gücünün ile tarama hızı süreç parametrelerinin etkisiyle çok katmanlı numuneler için katmanlar arası sınırlar açısından düşük hata değerleri ile hassas bir şekilde tahmin etmektedir.
Özet (Çeviri)
Directed energy deposition (DED), a metal additive manufacturing process, is the manufacturing of parts in layers by injecting metal powder into the melt pool created by the thermal energy provided by a heat source. Compared to traditional subtractive manufacturing methods, DED attracts attention as an emerging manufacturing technology in different industries with the reduction in using molds and tools, the need for assembly, the ability to design and manufacture parts with complex features, and the ability to manufacture on parts that need repair. Because of the nature of the process, the high temperature and temperature gradients that occur with high heat input are critical and still very important factors for directed energy deposition, just as with other additive manufacturing methods. The correct estimation of the structure and geometry of the melt pool and the effect it creates for the manufactured part during the process significantly affect the quality of the part. For this purpose, in this thesis, a thermal finite element process model has been developed to better understand and predict the melt pool geometry and properties. The model includes temperature and state-dependent physical properties for materials used in the additive manufacturing process with novel features, treatment of surface losses as a volumetric heat flux to eliminate the need for the re-definition of the surface after the addition of each layer with an additional user-defined subroutine and evaporative heat losses added to the surface losses to avoid the high temperatures. To observe the effect of laser power and scanning speed on the structure of the melt pool, single-track and multi-layer samples were additively manufactured with Inconel 718 material for comparison and validation with the developed model. In experimental methods, the in-situ collected data using an infrared thermal camera were prepared and analyzed via developed image process method and used in comparison with the model for melt pool area prediction. In addition, ex-situ melt pool characterization with an optical microscope was also examined, and the obtained findings were used for comparison with the developed model. The proposed thermal model accurately estimates the melt pool sizes in terms of area, depth, and width of both single-track and multi-layer depositions and inter-layer boundaries for multi-layer depositions with revealing the effect of laser power and scanning speed process parameters.
Benzer Tezler
- 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
- Seramik kaplamalarda kırılma tokluğunun sonlu elemanlar yöntemiyle analizi
Başlık çevirisi yok
ÖMER FARUK YENİHAYAT
Yüksek Lisans
Türkçe
1996
Metalurji MühendisliğiSakarya ÜniversitesiMetalurji Eğitimi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EŞREF AVCI
- Sonlu elemanlar yöntemi ile çelik potası refrakter astarının incelenmesi ve geliştirilmesi
Başlık çevirisi yok
SUAT YILMAZ
Doktora
Türkçe
1998
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SERDAR ÖZGEN
- Bir nükleer kaza sonrası doğal taşınım ile ısı çekiminin sayısal olarak incelenmesi
A Numerical study on the post-accident heat removal with convction in nuclear reactors
Y.TUBA ERDEM
- Thermal gradients in concrete box girders
Betonarme kutu kırışlı termal gradyanlar
SALİH KHUDAIR AL-REBEH
Yüksek Lisans
İngilizce
2014
İnşaat MühendisliğiGaziantep Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA ÖZAKÇA