Geri Dön

Improving mechanical properties of additive manufacturing products using novel infill and slicing methods

Katmanlı imalat ürünlerinin mekanik özelliklerinin yenilikçi dolgu ve dilimleme yöntemleri ile gelistirilmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 830732
  2. Yazar: ARASH ARMANFAR
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. ERKAN GÜNPINAR
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2023
  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: Makine Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 184

Özet

Eklemeli imalat, sa ̆gladı ̆gı avantajlar nedeniyle son yıllarda akademi ve endüstride büyük ilgi görmektedir. Eklemeli imalat parçalarının mekanik özellikleri imalat parametrelerine göre de ̆gi ̧sebilir. Bu tezde eklemeli imalat parçalarının mekanik per- formansını artırmaya yönelik yenilikçi dolgu ve dilimleme yöntemleri geli ̧stirilmi ̧stir. Hücresel kafes yapılar, dolgu malzemesi olarak kullanılan hafif, dayanıklı ve yüksek mukavemetli malzemelerin iç içe geçmi ̧s hücreler olu ̧sturacak ̧sekilde düzenlendi ̆gi bir yapıdır. Bu yapılar, eklemeli imalatta yaygın olarak dolgu yöntemi olarak kullanılır. Hücresel kafes yapılar, yapısal parametrelerini ayarlayarak farklı özellikler sergileyebilir. Bu özellikler arasında akustik, dielektrik ve mekanik özellikler yer alır. Bu tezde, bu özelli ̆gi kullanarak yeni ve daha dayanıklı hücresel yapılar geli ̧stirme planlanmaktadır. Günümüzde eklemeli imalat sistemlerinde yaygın olarak dilimleme (slicing) i ̧slemi kullanılmaktadır. Düzelemsel bu dilimleme yöntemi imal edilen modelin dayanımını (gücünü) etkilemektedir. Modelin geometrisi ile uyumlu e ̆gri (curved) baskı yollarının kullanımı gerilmelere daha dayanıklı fiziksel model üretimi için önemlidir. Bu projede do ̆gadan esinlenilmi ̧s halat-benzeri (halatsı) baskı yolları kullanılması planlanılmakta ve bu yolla kayna ̧sık biriktirme modellemesi (FDM) ile mukavemeti daha yüksek parçaların eklemeli imalatına olanak sa ̆glanacaktır. Bu baskı yolları henüz eklemeli imalatta kullanılmamı ̧s olup, (ön çalı ̧sma sonuçlarına göre) bunların kullanımı imal edilen parçanın mekanik özelliklerini geli ̧stirebilecektir. G-Lattice'ler. Katı model içine gömülü örgü yapılar, eklemeli imalatta üretim maliyetini/süresini azaltma ve basılmı ̧s parçaların (mekanik, akustik vb.) özelliklerini geli ̧stirme açısından kritik bir rol oynamaktadır. Çubuk-tabanlı örgü yapıları birden fazla çubuktan olu ̧sur ve yapısal özellikleri çubuk ̧sekilleri ve topolojiye ba ̆glı olarak de ̆gi ̧sir. Ancak, çubuk-tabanlı örgü yapıları sınırlı türde/sayıdadır ve bu nedenle bu çalı ̧smada, G-Lattice'ler olarak adlandırılan yeni örgü yapılarını ve G-Lattice'lerin üretim sentez yöntemini tanıtmaktadır. Eklemeli imalat, kullanıcı ve geometrik kısıtlamalar verildi ̆ginde, G-Lattice'ler bir parçacık izleme (particle tracing) algoritması aracılı ̆gıyla otomatik olarak olu ̧sturulabilir, bu algoritma parçacıkları bir örgü birim hücresinde yerle ̧stirir/hareket ettirir. Parçacık izleme yolları boyunca bir kürenin süpürülmesiyle G-Lattice'ler olu ̧sur. Bu çalı ̧smada, düz ve e ̆gri çubuklar kullanılarak iki alternatif izleme yöntemi önerilmektedir. Bu teknikler kullanılarak kısa sürede çok sayıda G-Lattice olu ̧sturulabilir. Kullanıcılar, bir birim hücredeki G-Lattice yo ̆gunlu ̆gunu, çubuk kalınlı ̆gını, çubuk ̧sekillerini (düz veya e ̆gri) ve çubuklar arasındaki açıyı ayarlayarak G-Lattice'lerin fiziksel/mekanik özelliklerini kontrol edebilirler. Kanıt niteli ̆ginde, G-Lattice'ler Eklemeli imalat makinesi aracılı ̆gıyla üretilmi ̧stir. Ayrıca, önerilen G-Lattice sentez yöntemi, dikey yüklü modeller için özelle ̧stirilmi ̧stir. Bu ̧sekilde elde edilen G-Lattice'ler, Sonlu Elemanlar Yöntemi deneyleriyle do ̆grulanmı ̧s ve geleneksel örgü yapılarına kıyasla daha yüksek mukavemet-hacim oranına sahip olmu ̧slardır. G-Lattice'lerin güçlendirilmi ̧s (reinforced G-Lattices) versiyonlarına bu tezde çalı ̧sılmı ̧stır. Farklı e ̆gimli (basma) yükleri için G-Lattice'ler ayrı ayrı optimize edilir ve bir G-Lattice kütüphanesi olu ̧sturulur. Yük altında olan bir parça için, her bir birim hücredeki (parçanın iç bölgesindeki kübik alanlardaki) deplasman vektörleri çıkarılır. Bu vektörlere dayanarak, G-Lattice kütüphanesinden (önceden optimize edilmi ̧s) güçlendirilmi ̧s G-Lattice'ler seçilir ve birim hücrelerde (dolgu olarak) kullanılır. Bu sürece G-Puzzling denir. Bu çalı ̧smanın testlerinde, üç farklı e ̆gimli yükleme ko ̧sulunda dolgu yapılmı ̧s parçalar, güçlendirilmi ̧s G-Lattice'ler kullanılarak doldurulur ve hacim üzerine rijitlik oranlarına göre incelenir. Bu deneylere göre, elde edilen parçalar, ortalama olarak, geleneksel bir örgü yapısı olan FBCCZ'ye göre mekanik performans açısından %30'dan fazla daha iyi bir sonuç göstermektedir. Ayrıca belirli yükleme ko ̧sulları altında G-Lattice'lerin mekanik özelliklerini tahmin etmek için bir makine ö ̆grenimi kullanılmı ̧stır. ̇Ilk olarak, G-Lattice'lerin mekanik özellikleri, dengeli bir örnekleme yakla ̧sımı kullanılarak 20000 G-Lattices üretilerek elde edilir. G-Lattice'lerin a ̆gırlı ̆ga göre dayanıklılık oranları sonlu eleman analizi kullanılarak elde edilir. Ayrıca, G-Lattice'lerin voxelize edilmi ̧s verileri, makine ö ̆grenimi adımında özellik vektörleri (feature vector) olarak kullanılır. Bu G-Lattice'ler kullanılarak bir do ̆grusal regresyon modeli hesaplanır. Bununla birlikte, model özellikle oranı be ̧sten büyük olan G-Lattice'ler için do ̆gru sonuçlar vermemektedir. Bu nedenle, bu aralıktaki G-Lattice'ler sayısını artırmak için 14000 G-Lattice daha örnekleme yapılır. ̇Iki küme için (oranı be ̧sten büyük/e ̧sit olan veya daha az olan G-Lattice'ler için) ayrı do ̆grusal regresyon modelleri hesaplanır. Deneysel sonuçlara göre, G-Lattice'lerin yakla ̧sık olarak %70'i tahmin hataları %5'ten az veya e ̧sit olan hatalara sahiptir ve 40000 G-Lattice'ler için ortalama mutlak (oran) yüzde hatası %6.3'tür. Eklemeli imalat için helezonik baskı yolları. Be ̧s eksenli eklemeli imalatı için helezonik geometriye sahip baskı yolları kullanan yeni bir AM tekni ̆gi (Helical5AM) geli ̧stirilmi ̧stir. Basılmak istenen bir nesne için merkez e ̆grisi belirlenir ve heliks parametreleri (helezonik açı ve dönü ̧s yönü) ayarlanır. Helezonik baskı yolları ile nesne hacimsel olarak kaplanır. Bu baskı yollarının baskı kafası ile çarpı ̧sma olmaksızın bırakılması için bir baskı kafa oryantasyon algoritması geli ̧stirilmi ̧stir. Ayrıca, basılmı ̧s parçalarda heliks ve ilerleme açılarının mekanik özellikler üzerindeki etkileri basma testleri ile gösterilmi ̧stir. Belirli bir yüklenme ko ̧sulu altındaki bir parçanın baskı yollarının helezonik açılarının optimizasyonu da yapılmı ̧stır. Parça öncelikle helezonik katmanlara ayrılır ve bu katmanlar helezonik baskı yollarıyla kaplanır. Katmanlar altı yüzlü elemanlar ile hacimsel olarak kaplanır. Helezonik açılara ba ̆glı olarak altı yüzlü elemanlara malzeme yönleri verilir. Ardından sonlu elemanlar analizi parçanın mekanik özelliklerinin tespiti yapılır. Helezonik açıların optimize etmek amacıyla sonlu elemanlar analizine entegre edilmi ̧s bir optimizasyon yakla ̧sımı kullanılır. Önerilen yaklasım çesitli yüklenme ko ̧sulları altında yapılan çoklu deneylerle do ̆grulanır. Helezonik açıları optimize edilen parçaların daha iyi mekanik özelliklere sahip oldugu görülmüstür.

Özet (Çeviri)

In recent years, additive manufacturing (AM) has drawn significant attention and interest from both academia and industry due to its remarkable advantages. However, one critical challenge in AM is tunability of mechanical properties for AM parts. Therefore, this dissertation focuses on the development of novel infill and slicing methods. G-Lattices. Lattice structures embedding in a solid model play a crucial role in additive manufacturing (AM) for reducing manufacturing cost/time and improving (mechanical, acoustic and etc.) properties of the printed parts. Manually generated lattice structures consist of multiple struts, and their structural properties differ according to the strut shapes and topology. However, there are limited type/numbers of strut-based lattice structures, and therefore, this paper introduces novel lattice structures that are called G-Lattices and a method for generative synthesis of G-Lattices. Given AM, user, and geometrical constraints, G-Lattices can automatically be generated via a particle tracing algorithm, which places/moves particles in a lattice unit cell. Sweeping a sphere along the particle trajectories forms G-Lattices. Two alternative tracing methods are proposed in this work; one using straight and the other via curved struts. Numerous G-Lattices can be created using these techniques in a short time. Users can adjust G-Lattice density in a unit cell, strut thickness, strut shapes (i.e., straight or curvy), and angle between struts in order to control the physical/mechanical properties of G-Lattices (to some extent). As proof of concept, several G-Lattices are manufactured through an AM machine. Additionally, the proposed G-Lattice synthesis method is customized for the models under vertical loading. The G-Lattices obtained in this way are validated through finite element method experiments and have greater strength over volume ratios compared to conventional lattice structures. An extension of G-Lattices (i.e., reinforced G-Lattices) demonstrating better mechanical performance under inclined (compression) loading conditions are also introduced. For different inclined loads, separate reinforced G-Lattices are first optimized, and a G-Lattice library is formed. For a part under loading, displacement vectors in each unit cell (cubic domains within the inner region of the part) are then extracted. Based on these vectors, (pre-optimized) reinforced G-Lattices are selected from the G-Lattice library and utilized (as infills) in the unit cells. This process is called G-Puzzling. As a proof of concept, parts under three different inclined loading conditions are infilled using reinforced G-Lattices and investigated based on stiffness-over-volume ratios. According to these experiments, the resulting parts, onIn recent years, additive manufacturing (AM) has drawn significant attention and interest from both academia and industry due to its remarkable advantages. However, one critical challenge in AM is tunability of mechanical properties for AM parts. Therefore, this dissertation focuses on the development of novel infill and slicing methods. G-Lattices. Lattice structures embedding in a solid model play a crucial role in additive manufacturing (AM) for reducing manufacturing cost/time and improving (mechanical, acoustic and etc.) properties of the printed parts. Manually generated lattice structures consist of multiple struts, and their structural properties differ according to the strut shapes and topology. However, there are limited type/numbers of strut-based lattice structures, and therefore, this paper introduces novel lattice structures that are called G-Lattices and a method for generative synthesis of G-Lattices. Given AM, user, and geometrical constraints, G-Lattices can automatically be generated via a particle tracing algorithm, which places/moves particles in a lattice unit cell. Sweeping a sphere along the particle trajectories forms G-Lattices. Two alternative tracing methods are proposed in this work; one using straight and the other via curved struts. Numerous G-Lattices can be created using these techniques in a short time. Users can adjust G-Lattice density in a unit cell, strut thickness, strut shapes (i.e., straight or curvy), and angle between struts in order to control the physical/mechanical properties of G-Lattices (to some extent). As proof of concept, several G-Lattices are manufactured through an AM machine. Additionally, the proposed G-Lattice synthesis method is customized for the models under vertical loading. The G-Lattices obtained in this way are validated through finite element method experiments and have greater strength over volume ratios compared to conventional lattice structures. An extension of G-Lattices (i.e., reinforced G-Lattices) demonstrating better mechanical performance under inclined (compression) loading conditions are also introduced. For different inclined loads, separate reinforced G-Lattices are first optimized, and a G-Lattice library is formed. For a part under loading, displacement vectors in each unit cell (cubic domains within the inner region of the part) are then extracted. Based on these vectors, (pre-optimized) reinforced G-Lattices are selected from the G-Lattice library and utilized (as infills) in the unit cells. This process is called G-Puzzling. As a proof of concept, parts under three different inclined loading conditions are infilled using reinforced G-Lattices and investigated based on stiffness-over-volume ratios. According to these experiments, the resulting parts, on average, exhibit more than %30 better mechanical performance compared to FBCCZ (a conventional lattice structure). A machine learning procedure is further proposed in this work to predict the mechan- ical properties of G-Lattices under specific loading conditions. 20000 G-Lattices are first generated using a uniform sampling approach. Strength-over-weight ratios for the G-Lattices are obtained using finite element analysis. Furthermore, voxelized data of G-Lattices are exploited as feature vectors in the machine learning step. A linear regression model is then computed using these G-Lattices. However, the model is inaccurate, particularly for the G-Lattices with ratios greater than five. Therefore, 14000 more G-Lattices are further sampled to increase the number of G-Lattices in this range. For each of the two clusters (G-Lattices with ratios greater/equal to or less than five), a separate linear regression models are calculated. According to the experimental results, approximately 70% of G-Lattices have errors less than/equal to 5% prediction errors, and the mean absolute (relative) percentage error for 40000 G-Lattices is 6.4% Parametrized helical printing. AM commonly utilizes slicing techniques to create layers of a model, in which material is deposited layer by layer. However, the slicing method directly affects the mechanical properties of the printed parts. This paper introduces a new AM technique (named Helical5AM), which employs print paths having helical geometry for five-axis AM. Given an object to be printed, a base (supporting helical print paths) with a center curve and helix parameters (such as lead angle and turn direction), a complete volumetric coverage using helical print paths is obtained. Collision-free tool orientation is then generated using a probabilistic roadmap algorithm for depositing material along the helical print paths by avoiding tool interference with obstacles. As a proof of concept, print paths (of models) with orientation information obtained using the proposed algorithms are simulated using a five-axis AM simulation software, and the material deposition process in Helical5AM is demonstrated using a five-axis AM machine. Furthermore, compression tests are performed on the printed parts for evaluating the effects of helix lead angles of the helical print paths on the mechanical properties of the printed parts. It has been confirmed that the mechanical behavior of a printed part is predictable and tunable according to the helix lead angles of the print paths. Helical5AM can potentially empower engineers to obtain AM parts with desirable mechanical properties. Optimization of helix lead angles of helical print-paths for a part under a certain loading conditions is also investigated. The part is first decomposed into layers, which are covered by helical print paths. The layers are meshed conformally using hexahedral elements. According to lead helix angles, material orientations are given to these elements. Finite element analysis (FEA) is then carried out for investigating the mechanical properties of the part. An optimization approach is coupled with FEA to optimize lead helix angles for the helical print paths. The effectiveness of the proposed approach is verified via multiple experiments with various loading conditions. The results indicate that the optimized parts demonstrate better mechanical properties.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    824638

    Agent-based dual needle additive manufacturing of polymeric filaments in different alignments for manufacturing composites

    Farklı hizalanmış polimerik filamentlerin çift başlık kullanarak eklemeli imalat yöntemiyle ajan tabanlı kompozit üretimi

    MUSA YILMAZ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Makine MühendisliğiGaziantep Üniversitesi

    Konstrüksiyon ve İmalat Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. NECİP FAZIL YILMAZ

    DR. ÖĞR. ÜYESİ ALİ KILIÇ

  2. Tez No

    713398

    Ni esaslı katkı malzemelerinin matris özelliklerine etkisinin araştırılması

    Investigation of the effect of ni-based additives on matrix properties

    ÇAĞDAŞ GÜNEŞ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Makine MühendisliğiMunzur Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ERTUĞRUL ÇELİK

  3. Tez No

    325619

    Ahşap plastik kompozitlerin kullanım performansları üzerine araştırmalar

    Investigations on usage performance of wood plastic composites

    ERKAN AVCI

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2012

    Ağaç İşleriİstanbul Üniversitesi

    Orman Endüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. TURGAY AKBULUT

  4. Tez No

    711846

    Manufacturing by combining selective laser melting andselective laser erosion / laser re-melting

    .

    EVREN YASA

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2011

    Makine MühendisliğiKatholieke Universiteit Leuven (Catholic University of Leuven)

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. JEAN-PİERRE KRUTH

  5. Tez No

    645457

    Propolis katkılı sodyum aljinat doku iskelelerinin üç boyutlu baskı teknolojisi kullanılarak üretimi, karakterizasyonu ve antibakteriyel aktivitesinin incelenmesi

    Fabrication, characterization and investigation of antibacterial activity of propolis-substituted sodium alginate tissue scaffolds using three dimensional printing technology

    KÜBRA ARANCI ÇİFTÇİ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2020

    BiyomühendislikYıldız Teknik Üniversitesi

    Biyomühendislik Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. CEM BÜLENT ÜSTÜNDAĞ

    DOÇ. DR. MUHAMMET UZUN

Geri Dön