Geri Dön

Fluid flow-inspired curvature-aware print-paths from hexahedral meshes for additive manufacturing

Eklemeli imalat için altıyüzlü-eleman ağları için akışkan akışından esinlenilen eğriliğe duyarlı baskı yolları

PDF İndir

  1. Tez No: 798725
  2. Yazar: SERHAT ÇAM
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. ERKAN GÜNPINAR
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2022
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Konstrüksiyon Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 80

Özet

Eklemeli imalat bilgisayar ortamında tasarlanan geometrik (CAD) modellerin hızlı bir şekilde fiziksel olarak üretilmesini sağlar. Eklemeli imalatta ekstrüderden sıcak malzeme çıkarılıp tezgâha koyularak eklenmesi ile elde edilir. Bu yöntemlerden biri olan kaynaşmış birikme modellemesi (FDM) yöntemi, son yıllarda endüstriyel fabrikalardan evlerimize kadar birçok alanda kullanım alanına sahiptir. Parça dilimlenir ve her bir dilimde baskı yolları oluşturularak katman katman imal edilir. Üç eksenli eklemeli imalat makinalarında dilimleme işlemi katmanların XY düzlemine paralel olacak şekilde yapılır. Z-ekseni boyunca bir düzlem geometrik model ile kesiştirilir ve baskı yolları elde edilir. Dilimleme işlemi hem model için baskı yolu elde edilmesinde hem de elde edilen baskı yolunun üretim planlaması bakımından zahmetsiz olmasından dolayı günümüzde en yaygın kullanılan yöntemdir. Fakat basit olmasının yanında bazı olumsuzluklara sahiptir. Bunlardan biri geometrik modelin katman katman üretilmesinden kaynaklı modelin yüzeyindeki eğri kısımlarda merdiven etkisi (basamak etkisi) oluşmasıdır. Bu durum modeldeki yüzey kalitesini bozduğu için istenmemektedir. Son yıllarda bu sorunlar üzerine birçok araştırma yapılmış olup, birçok farklı yöntem önerilmiştir. Merdiven etkisi için eğri baskı yolları kullanılıp, katmanlardaki baskı yolları ise mekanik stres yönlerine ve model geometrisine göre ayarlanması sağlanmıştır. Eğri baskı yollarının oluşturulması literatürde birçok farklı yöntem ile yapılmaktadır. Bu yöntemler geometrik modelin depolandığı dosya biçimine göre farklılık göstermektedir. Bu tezde altı yüzlü ağ yapıları tercih edilmiştir. Son yıllarda üretilen bu ağlara ait elemanlar yüzeylerde tanımlı minimum ve maksimum eğrilik yönlerini takip etmektedir. Bundan dolayı da eklemeli imalatı gerçekleştirilen parçada daha az basamak etkisi görülmektedir. Ayrıca altı yüzlü ağ yapıları sonlu eleman simülasyonlarına uyumlu oldukları için gelecekte de tercih edilebilecekleri umulmaktadır. Altı yüzlü ağ yapılarını ilk defa Günpınar (2021) kullanmıştır. Fakat imal edilen parçalardaki baskı yolları incelendiğinde baskı yolları birbirine dik olarak değmektedir. Bu da parçanın mukavemetini azaltabileceği düşünülmektedir. Bu tez bu problemi çözebilmek için akışkanlar mekaniğindeki laminer akış çizgilerinden esinlenmiştir. Baskı yollarını akış çizgilerine benzeterek yeni bir yaklaşım ortaya koyulmuştur. Bunun sayesinde baskı yolları arasında dik değme problemi ortadan kaldırılmıştır. Geliştirilen baskı yolları kullanılarak parça çok-eksen eklemeli imalat yöntemi ile imal edilmiştir. Geliştirilen metot teknik olarak dört aşamayı kapsamaktadır. Öncelikle eğrilik yönlerine uyumlu şekilde üretilmiş bir altı-yüzlü ağ girdi olarak alınır. Bu altı-yüzlü ağın elemanları yeniden gruplandırılarak daha kaba bir ağ yapısı olan blok-ağ elde edilir. Elde edilen bu yeni yapı bir veya birden fazla altı-yüzlü ağ elemanından oluşan blok olup, oluşturulmuş blok-ağın elemanı olarak tanımlıyoruz. Blok, altı yüzü bulunan ve her yüzünde en fazla bir tane (komşu) blok bulundurabilme imkânı olan elemanlardır. Bloklarımız elde edildikten sonra bir sonraki aşama olan blok içindeki baskı yolu yönlerini belirleyen koşullar belirlendi. Baskı yönü koşulları blokların yüzlerine atanan sınır koşullarıdır. Bu sınır koşulları blok içindeki baskı yollarının belirtilen yüz ile ilişkisi olup, eğer baskı yollarının başlangıç veya bitiş noktaları mevcut yüz üzerinde ise dairesel temas, değil ise çizgisel temas olarak adlandırılmışlardır. Bu temas koşulları blokların komşuları ile olan ilişkisini tanımlamaktadır. Bir blok için olabilecek tüm koşullar belirlenip bir veri kütüphanesi oluşturulmuştur. Bu veriler blok için üretilebilirliklerine göre veya kişisel tercihlere göre filtrelenip, blok operatörleri olarak tanımladığımız baskı yönü verilerini oluşturur. Bu operatörler bloklara atanacak sınır koşuları olup, blok içindeki baskı yollarının blok boyunca yönlerini belirtmektedir. Daha sonra blok-ağ içindeki blokların her birine dik temas oluşturmayacak şekilde operatör ataması için bir algoritma geliştirilmiştir. Bu algoritma içinde kullanılan fonksiyonlar tanımlanmış ve her birinin önemi irdelenmiştir. Geliştirilen algoritma sayesinde tamamen rasgele, asal gerilme yönlerine göre veya kullanıcın belirleyeceği parametrelere göre dik temas oluşmadan operatör ataması yapılabilmektir. Üçüncü aşama blokların içinde eğri baskı yollarının oluşturulmasıdır. Eğri baskı yollarının özelliği modelin yüzey eğriliklerini takip edip, yüksek bir yüzey kalitesi elde edilmesini sağlamasıdır. Bu baskı yollarını bloklarımızda, bölgesel dilimleme ile elde ettik. Bloklar içindeki her bir altı-yüzlü elemanı kendi içinde dilimleyerek, bu dilimlerin üzerine baskı yolları oluşturuldu. Oluşturulan bu baskı yolları daha sonra komşu altı-yüzlü elemanda bulunan ortak baskı yolu ile birleştirilerek, blok içindeki asıl baskı yolu elde edilmiş olur. Bu strateji ile blok içindeki baskı yollarını en alt hacimlerden başlayarak, tüm blok hacmi için elde edilmiş olur. Son olarak da blok baskı yolları komşu bloklarda bulunan ortak baskı yolları ile birleşerek tüm ağ yapısı hacmine ait olan baskı yollarını oluşturmuş olur. Buradaki ortak baskı yolu tanımı, blokların ortak yüzlerinde aynı başlangıç veya bitiş noktalarına sahip olan baskı yollarıdır. Dördüncü aşama elde edilen baskı yollarının çok-eksenli eklemeli imalata hazırlanmasıdır. Eklemeli imalatta baskı yolları üretim yüzeyine dik olarak üretilmektedir, bu durum geleneksel dilimlemeyle üretilen modellerde Z-ekseni olduğundan sabittir, fakat çok eksenli üretimde her bir baskı yolu için tanımlanması gereken bir parametredir. Bu çalışmada bu parametre başlangıç olarak, üçüncü aşamada baskı yollarını elde ettiğimiz dilimlerin yüzey normali olarak atanmıştır. Fakat bu yüzey normalleri her zaman baskı yolunun üretimi için uygun olamayıp makinanın kendisiyle veya daha önceden üretilen baskı yollarıyla çarpışmamasını garanti edecek şekilde düzenlenmesi gerekmektedir. Bu aşamada makina tarafından kullanılacak baskı yolu doğrultuları başlangıç doğrultularını referans alarak belirlenmiş ve bu doğrultulara uygun baskı yolu üretim sırası belirlenmiştir. Son olarak çalışma boyunca elde edilen yöntemleri doğrulamak için modellerin üretimi çok eksenli bir makinada yapılıp, sonuçlar önceki çalışmalar ile karşılaştırılmıştır. Elde edilen çıktılar, önerilen yöntemin dik temas olmadan istenilen sonuçları üretebildiğini ve ilaveten üretilmiş modellerin önceki yöntemlere göre daha iyi yüzey özelliklerini temsil edebildiğini gösterilmiştir.

Özet (Çeviri)

Conventional manufacturing methods create objects by removing material via subtractive processes such as milling, drilling, and carving. In contrast, additive manufacturing (AM) deposits material to fabricate parts, which enables the manufacturing of more sophisticated geometries. Planar slicing methods, where layers are always parallel to the XY plane and on the Z axis, are traditionally used in AM to build 3D models layer by layer. However, quite a few hardware platforms have been developed for enabling the use of multi-axis AM with inputs of three-dimensional curves. These curves can be considered as print-paths and represent parts. This situation can be likened to using curved tool-paths in subtractive manufacturing. Models represented using curves conforms better to the part's geometry than those obtained by planar slicing methods. This also enables improved mechanical strengths in the printed parts. %One of the interesting studies done in recent years can be shown to obtain the print path for AM using hexahedral meshes. % Hexaehdral meshes are preferred both because they interpolate the surface feature curves of the model and represent them well in the surface curvature directions, and also because of the cuboid structures that we will use in this study. Thanks to recent improvements, computational methods are able to produce high-quality hexahedral meshes, whose hexahedrons are arranged along the principal curvature directions of the input surfaces. Curvature-aware print-paths, proposed by Gunpinar, follow these curvature directions and have enabled a reduction in stair-stepping effect in the printed parts. However, crosswise-contacts can exist between the print-paths (i.e., print-paths are quasi-perpendicular to each other), which is undesirable as failures may occur particularly at those contact regions. Therefore, the present work aims at generation of curvature-aware print-paths (similar to the print-path generation technique of Gunpinar) without crosswise-contacts between them. To solve this problem, we inspire from fluid flow and imitate (laminar) streamlines for an inlet and an outlet of a duct for designing curvature-aware print-paths. A hexahedral mesh is decomposed into blocks (cuboid-like sub-volumes), each of which is covered with fluid flow-inspired print-paths. A multi-axis (collision-free) additive manufacturing (AM) planning technique is also proposed. As a proof of concept, fluid flow-inspired curvature-aware print-paths are validated using a multi-axis AM simulator and machine.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    397139

    Çeşitli kanat ucu modelleri için sürükleme kuvvetinin azaltılmasının hesaplamalı akışkanlar dinamiği yöntemleri ile incelenmesi

    Study on reducing the drag force for various wing tip models by using computational fluid dynamics methods

    ERKAN YILDIZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2015

    Havacılık MühendisliğiHava Harp Okulu Komutanlığı

    Havacılık Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ERGÜVEN VATANDAŞ

    YRD. DOÇ. DR. İBRAHİM KOÇ

  2. Tez No

    852955

    Digital marbling based on computational fluid dynamics

    Hesaplamalı akışkanlar dinamiğine dayalı dijital ebru simülasyonu

    RÜYAM ACAR

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2005

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolUniversity of Alberta

    Bilgisayar Bilimleri Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. PIERRE BOULANGER

  3. Tez No

    223427

    Gözenekli ortamın zorlanmış taşınıma ve akışa etkisinin sayısal incelenmesi

    A numerical investigation of the porous medium on the forced convection and fluid flow

    ERMAN PİLEVNE

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2007

    Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Mühendislikte İleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. AYDIN MISIRLIOĞLU

  4. Tez No

    318869

    Momentum transfer continuum between preshape and grasping based on fluidics

    Akışkan dinamiğine bağlı olarak ön-şekil ve kavrama arasındaki momentum sürekliliği aktarımı

    BARIŞ ÖZYER

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2012

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AYDAN M. ERKMEN

    PROF. DR. İSMET ERKMEN

  5. Tez No

    728930

    Experimental and numerical investigation of flapping airfoils interacting in various arrangements

    Çırpan kanat profillerinin çeşitli yerleşimler için etkileşimlerinin deneysel ve sayısal olarak incelenmesi

    SALİHA BANU YILMAZ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Havacılık Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MEHMET FEVZİ ÜNAL

    PROF. DR. MEHMET ŞAHİN

Geri Dön