Geri Dön

An experimental study on contactless support structures for laser powder bed fusion process

Lazer toz yatak ergitme prosesi için kullanılan temassız destek yapılarının üzerine deneysel bir çalışma

PDF İndir

  1. Tez No: 688553
  2. Yazar: ALİCAN ÇELİK
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. MEHMET ŞEREF SÖNMEZ, DR. ÖĞR. ÜYESİ EVREN YASA
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2021
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 113

Özet

Katmanlı imalat teknolojisi havacılık, uzay, otomotiv ve medikal gibi bir çok önemli endüstriyel alanda her geçen gün daha da büyüyen ve gelişen bir teknolojidir. Katmanlı imalat; dövme ve döküm gibi geleneksel yöntemlerle üretilmesi mümkün olmayan kompleks geometrideki mühendislik parçalarının, tatmin edici mekanik özelliklerde ve mikroyapılarda üretilmesine olanak sağlaması nedeniyle“yıkıcı teknoloji”olarak adlandırılmaktadır. Neredeyse sınırsız tasarım esnekliği sağlaması ve geleneksel yöntemlere kıyasla tasarımdan teste kadar daha kısa sürede üretime imkan vermesi nedeniyle mühendislik alanında günden günde daha da önemli bir imalat prosesi haline gelmektedir. Katmanlı imalat teknolojisinin getirdiği avantajların başında geleneksel seri üretim yöntemlerine göre ekonomik olarak cazip görünen özelleştirilmiş ürünlerin tek parça veya küçük partiler halinde üretilmesini sağlaması gelir. Eksiltmeli üretim yöntemlerinin aksine, hammadde kaybı veya proses sonrası ortaya çıkan hurda miktarı çok daha azdır. Diğer bir deyiş ile; katmanlı imalat ile üretim aşamasında imal edilecek olan parça geometrisinin basım yüksekliği referans alınarak, ilgili yüksekliği meydana getirebilecek miktarda hammadde sisteme beslenir ve üretim esnasında lazer ile etkileşime girmemiş olan tozlar neredeyse tamamen geri dönüştürülebilir. Bu durum, özellikle pahalı malzemeler için avantajlı maliyet oranları sağlar. Bununla birlikte serbest form kapalı yapılar, kanallar ve kafes yapılar gibi geleneksel imalat yöntemleriyle üretilmesi mümkün olmayan yenilikçi ve karmaşık geometrili yapılar üretilebilir. Tasarım ve maliyetler için sağladığı avantajlarin yanısıra; üretilen nihai parçalar, yüksek çekme ve mukavemet dayanımı ve düşük miktarda porozite barındıran homojen bir mikroyapı sergilerler. Yukarıda değinildği üzere; otomotiv, medikal, uçak ve uzay gibi birçok endüstriyel alanda katmanlı imalat teknolojisinin entegrasyon süreci hızla devam etmektedir. Havacılık ve uzay endüstrisi konvansiyonel yöntemlerle birden fazla parçanın birleştirilip uretildiği mühendislik parçalarını, katmanlı imalat ile tek bir parça olarak üreterek, konvansiyonel yöntemle üretilmiş mühendislik parçalarına göre daha az ağırlıkla imalat yapabilmektedirler. Otomotiv endüstrisi göz önüne alındığında ise, katmanlı imalat teknolojisinin küçük partiler halinde, daha az maliyetle ve daha hızlı bir şekilde üretime olanak sağlaması ilgili imalat teknolojisinin otomotiv sektörunde tercih edilmesinin başlıca sebeplerinden biridir. Her hastanın adeta parmak izi gibi kendine özgü bir anatomiye sahip oluşu ve katmanlı imalat teknolojisinin de hasta özelinde tasarıma imkan sağlaması sebebi ile; ilgili teknolojinin sağlık ve tıp endüstrisinde kullanımını büyük ölçüde arttırmıştır. Lazer toz yataklı ergitme prosesi ASTM tarafından belirlenen 7 temel katmanlı imalat yönteminden biridir. Toz yataklı ergitme proseseslerinde ısı kaynağı olarak lazer, metal malzemelerin katmanlı imalat yöntemiyle üretilmesinde elektron demeti ile birlikte en çok kullanılan sistemdir. İki yöntem arasında çok farklılık olmakla beraber; en belirgin farkları, kullanılan ısı kaynağı (lazer veya elektron demeti), hammadde olarak kullanilan tozun ön ısıtma gereklilikleri ve partikül boyut dağılımıdır. Her ne kadar bir metal katmanlı imalat teknolojisi olan lazer toz yataklı ergitme prosesi sonsuz esneklikte gibi görünen parça tasarımı vaadetse de, bu prosesi doğası gereği sınırlayan bazı noktalar vardır. Katmanlı imalat tarafından sunulan geometrik özgürlükteki en büyük sınırlamalardan birisi, basım tablası ile üretilen parçanın yüzeyi arasındaki açıdır. Yüzey açısı olarak ifade edilebilecek bu açı, sözü edilen tasarım esnekliğini kısıtlayıcı faktörlerin başında gelmektedir. Çeşitli formlarda olabilen destek yapıları bu eğimli yüzeylerle birlikte üretilerek çzellikle düşük açılı yüzeylerde meydana gelebilecek yüzey bozuklukları, çarpılma ya da sehim gibi istenmeyen sonuçların önüne geçmekte yardımcı olmaktadır. Üretimin hatasız bir şekilde sonuçlanması için ana parçaya temas eden destek yapıları hayati önem taşımaktadır. Lazer toz yataklı ergitme prosesinde destek yapısının kullanılma sebebi temel iki maddede özetlenebilir: i) Lazer ergitme prosesi sırasında yüksek sıcaklık farkından dolayı oluşan artık gerilimi, ısıl iletimi sağlayarak ortadan kaldırmak veya azaltmak ii) Parçayı üretim tablasına bağlayarak, çapa görevi görmek ve böylelikle parçanın üretim sırasında çarpılması sonucu oluşacak boyutsal hataları en aza indirmek. Destek yapıları lazer toz yatak ergitme prosesi için kaçınılmaz ve önemli bir eleman olmasına rağmen üretimden sonra bu destek yapılarının frezeleme veya el tezgahı gibi farklı son işlemler uygulanarak yüzeyden ayrılması gerekmektedir. Uygulanan bu ardıl işlemler ek maliyet getirip toplam üretim süresini arttırmanın yanında, ayrılma esnasında üretilen ana parçaya zarar verebilmektedir. Dahası, destek yapılarının ayrılma işleminden sonra kalan kalıntılar ana parçanın yüzey kalitesini olduça düşürmektedirler. Bu nedenle, destek yapılarının davranışlarını ve bunun ana parça veya basım ortamı üzerindeki etkilerini anlamak için birçok araştırma ve çalışma yapılmıştır. Literatürde, destek yapıları üzerine birçok farklı çalışmalar mevcuttur. Çalışmalar üç temel eksende yoğunlaşmıştır. Bunlardan birincisi farklı destek yapısı çeşidi ve geometrisi kullanarak destek yapılarının daha kolay bir şekilde ana parçadan uzaklaştırılmasını hedeflemektedir. İkinci grup ise, toz yatağın ergitilmesi esnasında kullanılan lazer parametresi üzerine yapılan çalışmalardır. Bu çalışmalarda farklı tarama stratejileri denenerek en ideal destek yapısı tarama parametresi elde edilmesi amaçlanmıştır. Üçüncü ve son grup ise, destek yapısı modellemesi üzerine yapılan çalışmalardır. Bu çalışmalarda, destek yapılarının toz yatak füzyon sürecindeki davranışlarını anlamak için sonlu elemanlar analizi yardımıyla modellenmesi üzerinde çalışılmıştır. Bu çalışmada ise, destek yapısı uygulanması gereken eğimli yüzeylerin altına yenilikçi bir destek yapısı üzerinde çalışılmış ve uygulanmıştır. İlgili tez çalışmasında uygulanmış olan destek yapısı temassız destek yapısı olarak tanımlanır ve ana parca ile temas halinde değildir. Ancak; ana parca yüzeyi ile temassız destek yapısı arasındaki toz yatağı sebebi ile arada bir 'ısıl transfer köprüsü yaratılarak', temassız destek yapısının proses esnasında oluşan ısının tahliyesine yardımcı olması sağlanır. Temassız olması nedeniyle ana parçanın destek yapısı gerektiren yüzeyleri hatasız olarak üretilebilir ve katmanlı imalat sonrası herhangi bir destek sökme işlemine ihtiyaç duymaz. İlgili tez calışmasında ayrıca, temassız destek yapısı kullanılan ana parça yüzeylerinde; yüzey pürüzlülüğü, mikro sertlik, ve mikroyapı karakterizasyonları yapılmıştır. Çalışma için CO-538 ticari isimli kobalt-krom bazlı alaşımdan oluşan atomize toz hammadde olarak kullanılmıştır. İlgili tozlardan, lazer toz yataklı ergitme yöntemiyle üretilen numunelerin yüzey pürüzlülüklerinin ve mikrosertliklerinin; yüzey eğim açısıyla ve destek yapısı - ana parça arasındaki boşluk miktarıyla nasıl etkilendiğinin anlaşılması amaçlanmıştır. Bu amaçla, ASTM standardını sağlayan geometrik yapıdaki numuneler tasarlanmış ve her bir destek yapısı için aynı numune modeli kullanılmıştır. Çalismalar sırasında, 4 farklı yüzey açısı (15°, 25°, 30° ve 45°) ve 6 farklı destek yapısı - ana parça arasındaki boşluk miktarı (100 µm, 125 µm, 150 µm, 250 µm, 300 µm ve 350 µm) yüzey pürüzlülüğü, mikrosertlik ve mikroyapısal değişimleri gözlemlemek amacıyla belirlenmiştir. Numuneler üretildikten sonra, yüzeyleri üç boyutlu yüzey tarama yöntemiyle ışık altında taranmış ve yüzey pürüzlülük değerleri taranmış olan yüzeylerinden ölçülmüştür. Daha sonra, numunelerin igili yüzeyleri metalografik olarak hazırlanmış ve sonrasında hem kesitten hem de yüzeye dik olarak ışık mikroskobunda analizler gerçekleştirilmiştir. Işık mikroskobunda incelenip iç yapıları değerlendirilen numunelerin kesitlerinden, ayrıca mikro sertlik değerleri ölçülmüştür. Elde edilen sonuçlar, bu yeni destek yapısının numunelerin üretilmesi ve üretilen numunenin özelillikleriyle ilgili gereken ilişkilerin yorumlanmasını sağlamıştır.

Özet (Çeviri)

Additive manufacturing (AM) is a technology that grows and develops day by day in many important industrial areas such as aviation, space, automotive and medical. A part, which cannot be produced by traditional methods such as forging, and casting could be produced by AM. Because of this, the related method is classified as a“destructive technology”since it allows the production of engineering parts with complex geometry, with satisfactory mechanical properties and microstructures. It is becoming an increasingly important manufacturing process in the field of engineering, as it provides almost unlimited design flexibility and enables production in a shorter time from design to testing compared to traditional methods. The biggest advantage of the AM technology is enabling the manufacturing of customized products in one piece or in small batches, which comes out economically attractive compared to traditional mass production methods. Unlike subtractive manufacturing methods, the amount of raw material loss or process scrap is much less. In other words, with AM, amount of the raw materials that is loaded into the system depend on the height of the part geometry to be produced. Significant fraction of the powders those have not interacted with the laser during production could be recycled as well. This enables low flight-to-buy rates, especially regarding the expensive materials. In addition to this, innovative and complex geometry structures that cannot be produced with traditional manufacturing methods such as free form closed structures' conformal channels and lattice structures can be produced through AM. In addition to these advantages AM provides within design and cost perspective; the additively manufactured parts exhibit a homogeneous microstructure with a low amount of porosity and a high tensile strength. As mentioned above, the integration process of AM technology continues rapidly in many industrial areas such as automotive, medical, aircraft and aerospace. The aerospace industry can produce engineering parts, where more than one part is combined and produced with conventional methods, as a single piece and at lower weight with AM. Considering the automotive industry, the fact that AM technology allows for production in small batches, at less cost and in a faster way is one of the main reasons why the related manufacturing technology is preferred in the automotive industry. Since each patient has a unique anatomy like a fingerprint, AM technology allows for patient-specific design. Due to this reason, application of this technology has increased considerably in the medical industry as well. Laser powder bed fusion (LPBF) process is one of the 7 basic AM methods specified by ASTM. Laser as a heat source in powder bed melting processes is the most used source together with electron beam in the production of metal materials by AM method. Although there are many differences between the two methods; the most obvious differences are the heat source used (laser or electron beam), the preheating requirements of the powder used as raw material and the particle size distribution. Although the laser powder bed melting process, which is a metal AM technology, promises part design that seems to be infinitely flexible, there are some points that limit this process by its nature. One of the biggest limitations in the geometric freedom offered by AM is the angle between the build plate and the surface of the manufactured part. This angle, which can be expressed as the oblique angle, is one of the factors limiting the aforementioned design flexibility. Support structures, which can be in various forms such as lattice, solid, breakaway, are produced together with these inclined surfaces, helping to prevent undesirable results such as surface defects, warping, deflection, or distortion that may occur especially on downskin surfaces. Support structures which are generally in contact with the main part are of vital importance in order for the production to be completed without any build interruption. The reason why the support structure is used in the LPBF process can be summarized in two main points: i) To eliminate or reduce the residual stress caused by the high temperature difference during the laser melting process by providing thermal transmission ii) To anchor the part to the build table and thus to minimize the dimensional errors that will occur because of warping. Although support structures are a significant feature for the LPBF process, these structures must be separated from the surface after production by applying post processes such as hand benching, milling etc. These post-processes may cause additional costs and increase the total production time, as well as damage the main part during support removal. Moreover, the existing remnants of the support structures after removal process considerably reduce the surface quality of the main part. Therefore, a lot of research has been carried out to understand the behavior of support structures and their effects on the main part surface. Studies focus on three main topics. The first of these aims to remove the support structures from the main part more easily by using different support structure types and geometries. The second group is the studies on the optimization of laser parameters those are used during the melting of the powder bed. In these studies, it was aimed to obtain the most ideal support structure scanning parameter by trying different scanning strategies. The third and final group focus on support structure modelling. In these studies, modeling of support structures with the help of finite element analysis has been studied to understand their behavior in the powder bed fusion process. In this study, an innovative support structure has been studied and applied under the inclined surfaces. The support structure applied in this thesis is defined as the contactless support structure and is not in contact with the main part. However, due to the trapped powder between the main part surface and the non-contact support structure, a“heat transfer bridge”is created allowing the contactless support structure to help evacuate the heat. Since it is contactless, the surfaces of the main part that require support structure can be produced without defect and it does not need any support removal process after AM. In the related thesis, surface roughness, microhardness and microstructure characterizations were carried out on the main part surfaces which were faced to contactless support structure underneath. An atomized cobalt-chromium-based alloy with the commercial name CO-538 was used as raw material during the studies. The surface roughness and microhardness characterization performed on the surfaces of samples to understand the effects of oblique angle of the surface and the distance between the support structure and the main part. For this purpose, specimens that meet the ASTM standard were designed and the same specimen model was used for each support structure. During the studies, 4 different surface angles (15°, 25°, 30° and 45°) and 6 different distances between support structures - main part (100 µm, 125 µm, 150 µm, 250 µm, 300 µm and 350 µm) were determined in order to observe the changes in surface roughness and microhardness. After the samples were produced, their surfaces were scanned under the white-light with the three-dimensional surface scanning method and the surface roughness values were measured from the scanned surfaces. Then, the surfaces of the samples were prepared metallographically, and then the optical microscope analyzes were carried out both from the cross section and perpendicular to the surface. Microhardness values were also measured from the cross-sections of the samples, which were examined under the light microscope and evaluated for their internal structures. The results enabled the interpretation of the required relationships of this new support structure regarding the production of the samples and their properties.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    849111

    Multi - capsule endoscopy: Demonstrations of inter - capsular control and (tactile) sensing

    Çoklu - kapsül endoskopi: Kapsüller arası kontrol ve (dokunsal) algılama yöntemleri

    FURKAN PEKER

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ONUR FERHANOĞLU

  2. Tez No

    528770

    Alümina silikat ve soda kireç silikat camların kimyasal temperlenmesinde kalınlık ve kesme etkisinin incelenmesi

    Investigation the effect of thickness and cutting on chemical tempering of aluminosilicate and soda lime silicate glasses

    BERKEL KAYACAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    Metalurji MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MİRAY ÇELİKBİLEK ERSUNDU

  3. Tez No

    445122

    Numerical and experimental analysis of the performance characteristics of a new contactless screw seal design

    Yeni bir temassiz sızdırmaz vida tasarım performans özelliklerinin sayısal ve deneysel analizi

    SONA RAHMIAN SARIJEH

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2016

    Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. VEDAT TEMİZ

  4. Tez No

    530817

    Design of high frequency controlled rectifier for a contactless battery charging system

    Temassız batarya şarj sistemine yönelik yüksek frekanslı kontrollü doğrultucu tasarımı

    FAHRİ GÜRBÜZ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiDokuz Eylül Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ TOLGA SÜRGEVİL

  5. Tez No

    750010

    Lazer işaretleri ile yapay zeka temelli hedef analizi

    Artificial intelligence based target analysis with laser signals

    NEVZAT OLGUN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolFırat Üniversitesi

    Yazılım Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İBRAHİM TÜRKOĞLU

Geri Dön