Geri Dön

Design of additively manufactured hybrid structural brackets via topology optimization

Topoloji optimizasyonu ile eklemeli imalata uygun hibrit yapısal braketlerin tasarımı

PDF İndir

  1. Tez No: 866216
  2. Yazar: CENGİZ KÖSEOĞLU
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. MESUT KIRCA
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  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: Katı Cisimlerin Mekaniği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 201

Özet

Stabilize platformlar veya taret sistemleri, hem kara hem de deniz sınırlarının izlenmesi için gerekli olan kompakt ve sağlam sistemlerdir. Bu sistemler hem yan eksende hem de yükseliş eksende olmak üzere 2 serbestlik derecesine sahiptir ve belirtilen eksenlerde dönmektedir. Ayrıca, farklı elektronik birimlerin ve alt bileşenlerin montajlanması için gerekli mekanik alt yapıyı sağlamaktadır. Belirtilen taret sistemleri zırhlı muharebe aracı, savaş gemisi, devriye botu gibi farklı mobil platformlara monte edilmektedir. Taret sistemlerinde bulunan yapısal alt bileşenlerin hafifletilmesi ağırlık tasarrufu, enerji tüketimi, manevra ve faydalı yük kapasitesi açısından dikkat çekmektedir. Savunma sanayiinde, ürün geliştirme sırasında zorlayıcı tasarım gereksinimleri nedeniyle, hafiflik kavramı sürdürülebilirliğe yönelik büyüyen bir eğilimdir. Hafif ve kompakt tasarımların avantajlarından bahsedecek olursak ürün performansını artırırken, malzeme israfını en aza indirerek doğrudan üretim maliyetini azaltır ve bir ürünü daha yenilikçi hale getirirken CO2 emisyonunu azaltarak enerji gereksinim ihtiyacını azaltmaktadır. Bu noktada, malzeme mühendisliğinden üretim teknolojilerine kadar farklı disiplinleri içeren hafifletme stratejisi içerisindeki malzeme değişimi, inovatif üretim yöntemleri, yapısal bütünlük, boşluklu ve organik yapılardan faydalanılması gibi yöntemlere başvurulmaktadır. Aynı zamanda, yapısal optimizasyon ve eklemeli imalattaki hızlı gelişme, ürün geliştirme süreçlerini değiştirmektedir. Yapısal optimizasyon yöntemlerinden biri olan topoloji optimizasyonu, mühendisler arasında bilinen trend bir konudur ve sonlu elemanlar yazılımda girilen tasarım uzayı ve sınır koşullarına bağlı olarak parçada ağırlık azaltılması sağlanırken yapısal performans korunmaktadır. Topoloji optimizasyonunun sonucu, geleneksel üretim yöntemleri ile üretilmesi imkânsız olan geometrik bir karmaşıklığa neden olabilmektedir. Bu dezavantajı ortadan kaldırmak için, daha hafif, organik ve karmaşık parçaların üretimi için eklemeli imalat teknolojisi önem kazanmaktadır. Eklemeli imalat teknolojilerinden Elektron Toz Yatak Füzyonu (E-PBF) metal eklemeli imalat alanında öne çıkan ve kendini kanıtlamış üretim yöntemlerinden biridir. Bu yöntem ile üretilen parçalar tam yoğunluk gösterir ve ek bir işleme ihtiyaç duymadan yüksek mekanik dayanım sunmaktadır. Bu nedenle savunma sanayii firmaları, metal eklemeli imalat teknolojisinin önemini bilmektedir ve tasarım karmaşıklığı ve ağırlık azaltmadan faydalanmak için metal eklemeli imalat teknolojisini ürün geliştirme süreçlerine dahil etmek istemektedir. Bir başka eklemeli imalat yöntemi olan Stereolitografi (SLA) yöntemi ise üretilebilirlik kontrolü ve prototip sistemlerde kullanılabilecek epoksi reçine bazlı parçaların üretimine olanak sağlamaktadır. Ayrıca hafifletme alternatiflerinden biri de eklemeli imalat sayesinde tasarım özgürlüğü getiren boşluklu yapılardır. Boşluklu yapılar doğadan esinlenerek tasarlanmıştır ve farklı sektörlerde kullanımı oldukça yaygındır. Köpük, bal peteği ve kafes yapılar başlıca boşluklu yapı örnekleridir. Bu tez kapsamında kafes yapılara odaklanılmaktadır ve yüksek mukavemet- ağırlık oranı, enerji sönümleme kabiliyeti, biyouyumluluk, termal izolasyon ve hafiflik gibi avantajlar sunmaktadır. Kafes yapılar CAD, TPMS iskeletsel ve TPMS plaka tabanlı olmak üzere üç ana kategoriye ayrılmaktadır. TPMS tabanlı kafes yapıların temelleri 1865 yılında H.A Schwarz tarafından atılmıştır ve 1883 yılına gelindiğinde bu konuda ünlü matematikçi R. Neovious önemli katkılar vermiştir. TPMS iskeletsel tabanlı kafes yapısının birim hücresinin tanımlanması için matematiksel denklemler gerekmektedir. Özellikle, TPMS gyroid yapısının sürekli geometriye sahip olmasından dolayı geometri üzerinde yüksek gerilme yoğunluğu oluşmamaktadır ve ek olarak her yönde istenen mekanik özellikler sunmaktadır. Ayrıca, belirtilen kafes yapısının üretim destek malzemesi gerektirmemektedir ve tasarımlara kolayca uyarlanabilmektedir. Bu sayede ardıl işlem süresi ve malzeme israfı azalmaktadır. Ek olarak, TPMS gyroid yapılar yüksek bir gerilme-ağırlık oranı sunmaktadır. Geleneksel üretim ile üretimi zor olan kafes yapıların malzeme ekstrüzyon (FDM), SLA ve E-PBF gibi farklı eklemeli imalat teknolojileri ile üretim imkânı bulunmaktadır ve bu sayede kafes birim hücreler üzerinde çeşitli nümerik ve deneysel çalışmalar yürütülmektedir. TPMS tabanlı kafes yapıların yenilikçi bir bakış açısıyla eklemeli imalata uygun tasarlanan organik ve karmaşık yapılara entegre edilmesi önem arz etmektedir. Bu noktada, katı kafes hibrit yapı gibi hafif ve dayanıklı yapısal alt bileşenleri üretmek için eklemeli imalat teknolojilerinden faydalanmak gereklidir. Bu tezin temel amacı, eklemeli üretim ve topoloji optimizasyonunun avantajlarını ürün geliştirme sürecine dahil etmektir. Bu tez kapsamında, kafes yapılar, topoloji optimizasyonu ve eklemeli imalattan yararlanılarak askeri standartlarda belirtilen mekanik şok ve titreşim koşullarına dayanıklı yapısal braketlerin tasarım iş akışını sunulmaktadır. Seçilen yapısal braketlerin ana işlevi, stabilize platformun yan ekseninde mekanik olarak istenmeyen yöndeki hareketi önlemektir. Yapısal braketlerden biri geleneksel imalat yöntemleri dikkate alınarak, diğeri ise eklemeli imalat yöntemine göre tasarlanmıştır. Bu amaçla öncelikle tasarım ihtiyacına göre yapısal braketlerin tasarımı ve yerleşimi yapılmış, ardından yükleme durumu hesaplanmıştır. Topoloji optimizasyonu öncesinde fonksiyonellik ve Siemens NX'deki mevcut hacim dikkate alınarak tasarım hacmi oluşturulur ve tasarım dışı uzaya karar verilir. Yapısal braketlerin çalışma ortamı dikkate alınarak sınır koşulları ve yük durumu optimizasyona girdi olarak verilmiştir. Daha sonra, optimum yük taşıma yollarını elde etmek için Altair Inspire'da yapısal braketler için geleneksel topoloji optimizasyonu koşturulmuştur. Eklemeli imalat prensiplerine göre tasarlanmış yapısal braketin topoloji optimizasyon sonucuna bağlı olarak, malzemenin silindiği alt gövdeye TPMS gyroid kafes yapısı tasarlanarak katı kafes hibrit bir yapı elde edilmiştir. 15x 15 x 15 mm hücre boyutundaki TPMS gyroid kafes yapısı payanda kalınlığı 2-6 mm arasında değişecek şekilde von Mises gerilme sonuçlarına göre nTopoloji programında alt gövdeye tasarlanmıştır. Geleneksel üretime dayalı olarak tasarlanan yapısal braketin topoloji optimizasyonu sonucu göz önüne alınarak, Altair Inspire'da polyNURBS komutu kullanılarak tekrardan modellenmiştir. Parçaların üretilebilirliğini ve geometrisini gözlemlemek için ilk üretimler SLA eklemeli imalat yöntemi ile gerçekleştirilmiştir. Üretilen parçaların değerlendirilmesinden sonra, her iki yapısal braketin nihai tasarımı tamamlanmıştır ve sonlu elemanlar analizleri ANSYS 2021 R2 ve nTopoloji programında tekrardan gerçekleştirilmiştir. Metal eklemeli imalat teknolojisi olan E-PBF temelli Arcam A2X makinasını kullanılarak Ti6Al4V tozundan optimize edilmiş yapısal braketler üretilir ve ardından askeri standartlara göre fiziksel mekanik şok ve titreşim test süreçleri yürütülür. Bu testlerin yapılmasındaki temel amaç yapısal braketlerin son kullanım ürünü olarak kullanılıp kullanılmayacağını belirlemektir. Ayrıca Ti6Al4V tozunun mekanik özelliklerini elde etmek için çekme numuneleri üretilmekte ve çekme testi yapılmaktadır. Son olarak, yapısal braketlerin üretimi ekonomik bakış açısı ile ele alınarak karşılaştırılmaktadır. Bu çalışma sonucunda, organik ve geometrik karmaşıklığa sahip katı kafes hibrit yapısal braket eklemeli imalata göre üretime uygun hale getirilerek zaman, maliyet ve hafiflik avantajları sağlanmış. Aynı zamanda belirtilen yapısal braket mekanik testler sonucunda mukavemeti ve işlevselliği korunmaktadır. Bu nedenle, mekanik test sonuçlarına bağlı olarak E-PBF yöntemi ile üretilen parça orijinal braket yerine kullanılacaktır. Tez temel olarak on bölümden oluşmaktadır. Tez kapsamında, stabilize platformların temelleri ve hafifletilmiş tasarımın önemi birinci bölümde ele alınmaktadır. İkinci bölüm hücresel yapıların temelleri ve kafes yapısı ile ilgili akademik araştırmalar ve endüstriyel uygulamaları içermektedir. Kafes yapılarının sınıflandırılması kısaca incelenmiştir. Kafes yapı mimarileri örtük modelleme ve grafik tabanlı olmak üzere iki farklı sınıflandırma üzerinden detaylı olarak incelenmiştir. Aynı bölüm içerisinde, kafes yapılarının eklemeli imalatına yönelik olarak literatür taraması gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, katı kafes hibrit yapılar ile ilgili literatür çalışması endüstriyel uygulama örnekleri ile beraber ikinci bölümün sonunda verilmektedir. Üçüncü bölümde eklemeli imalatın temelleri, eklemeli imalatın yedi farklı yöntemi, malzemeler ve minimum duvar ve tabaka kalınlığı gibi üretim yetenekleri incelenmiştir. Ticari CAD yazılımlarının tarihsel arka planı dördüncü bölümde verilmiştir. Ayrıca, örtük modelleme tabanlı nTopoloji yazılımının farklı uygulama türleri verilerek artıları ve eksileri bahsedilmiştir. Beşinci bölüm, eklemeli imalat için tasarımın temellerini, yapısal optimizasyonun temel mantığını ve boyut, şekil ve topoloji optimizasyonu gibi yapısal optimizasyon çeşitlerini içermektedir. Topoloji optimizasyonunun temelleri katı izotropik malzemeyi cezalandırma çözüm yöntemini ele alarak açıklanmış ve topoloji optimizasyonu ile ilgili farklı endüstriyel uygulamalar da bu bölümde verilmektedir. Seçilen iki yapısal braketin tasarım iş akışı ve prototip üretimi, altıncı bölümde adım adım ifade edilmektedir. E-PBF yöntemi ile yapısal braketlerin prototip üretimi yedinci bölümde detaylı olarak verilmektedir. Yapısal braketlerin nihai ürün olarak kullanılabilmesi yönelik olarak Çekme testi ve askeri standartlara uygun olarak yürütülen yapısal testler (mekanik şok ve titreşim testleri) sekizinci bölümde anlatılmıştır. Dokuzuncu bölüm yapısal braketlerin ekonomik fizibilite çalışmasından oluşmaktadır. Bu tezden elde edilen kazanımlar ve sonuçlar onuncu kısımda maddeler halinde verilmektedir.

Özet (Çeviri)

The stabilized platforms or called the turret systems are compact and robust that are necessary for monitoring both land and naval border. The main functionality is to monitor and protect the country's borders against asymmetric threats for 24 hours. It has the capability to turn in both the azimuth and elevation axis. It is a mobile platform that is mounted on the patrol boat. In this regard, the weight saving of subcomponents within the turret systems pays attention in terms of energy consumption, maneuvering, and payload capacity. In the defense industry, the concept of light weighting is a growing trend toward sustainability due to strict design requirements during product development. The pros of the lighter design are numerous that enhance product performance, decrease the fabrication cost directly linked to minimizing material waste, and decrease energy requirements by cutting down CO2 emission while making a product more innovative. Concurrently, the rapid development in structural optimization and additive manufacturing (AM) has changed the product development stage so the defense industry is looking for exploiting the potential of these approaches. One of the structural optimization (SO) methods is topology optimization (TO) is a trending topic among industry experts and it provides mass reduction while preserving structural performance with given design space and boundary conditions in finite element software. The result of TO causes a geometrical complexity that is impossible to fabricate with the help of conventional manufacturing methods. In order to eliminate this drawback, AM becomes significant for the fabrication of lighter, organic, and complex parts. Also, one of the lightweight alternatives is a lattice structure that brings design freedom thanks to AM. From an innovative point of view, the combination of the lattice and solid structure via TO and AM are essential to produce state of art subcomponents such as solid lattice hybrid structure (SLHS). Specifically, TPMS gyroid is a mathematical-driven lattice structure that offers a self-supporting, high strength-to-weight ratio and no stress concentration exists. These advantages make it an ideal candidate for solid lattice hybrid structure (SLHS) because of shortening the post-process time and lowering material waste. The main objective of this thesis is to exploit and implement the advantage of AM and TO into the product development cycle. This thesis presents the design workflow of mechanical shock and vibration resistant structural brackets by means of lattice structure, TO and AM. The main functionality of the selected structural brackets is to prevent rotational movement of the stabilized platform mechanically in azimuth axis. One of the structural brackets is designed by considering traditional manufacturing methods whereas another one is designed based on AM methods. For this purpose, firstly the design and layout of the structural brackets was done based on the design requirement and then loading condition was calculated. Before TO, the design space is created by taking into account the functionality, the existence volume in Siemens NX and non-design space is decided. The boundary conditions and load were given as input by considering working environment of the parts. Afterwards, conventional TO carried out for the structural brackets in Altair Inspire in order to achieve the optimum load carrying paths. According to TO outputs, the lattice structure such as TPMS gyroid created in material removal region for additively manufactured structural bracket to obtain solid lattice hybrid structure. The variation of lattice strut thickness between 2-6 mm with 15x 15 x 15 mm cell size based on von Mises stress result in the design of lower body is essential part in nTopology. Also, polyNURBS command in Altair Inspire is utilized for traditional manufactured structural bracket based on TO output to redesign by considering design for AM rules. The initial productions have been performed by SLA to observe the producibility and geometry of the parts. After evaluation of mock-up parts, the final design for both structural brackets are completed to pave the way for the finite element analysis. It is done in ANSYS 2021 R2 and nTopology to ensure the mechanical strength of the optimized structural brackets. For manufacturing stage, Electron Beam Powder Bed Fusion (E-PBF) based Arcam A2X machine which is one of the metal additive manufacturing methods is employed to produce them made of Ti6Al4V powder for further physical tests. The mechanical shock and vibration tests according to military standard are conducted in order to be validated as end-use product. Also, tensile specimens are produced, and tensile test is performed in order to guarantee the mechanical properties of Ti6Al4V powder. Lastly, the manufacturing of the structural brackets is considered from an economical perspective by making comparisons between each other. At the end of study, SLHS structural bracket is suitable for AM production that provides time, cost and lightness advantages without losing any functionality and strength. The thesis has basically ten chapters. As a part of the thesis, the background of the stabilized platforms and the importance of the lightweight design are addressed in Chapter 1. Background of cellular structure and the academic research and industrial application of lattice structure are given in Chapter 2. The classification of lattice structure based on disordered, periodic, and conformal are examined briefly. Strut-based and implicit modeling of lattice structure create architectures of lattice structure which are discussed deeply. The literature review related to AM techniques for the fabrication of lattice structures is done in the same chapter. Additionally, SLHS is introduced by carrying out the literature study with the industrial applications at the end of Chapter 2. Afterward, the fundamental of AM and the seven kinds of AM methods, materials, and their capabilities like minimum wall thickness and layer thickness which is continuously utilized is examined in Chapter 3. The historical background of commercial CAD software is given in Chapter 4. Furthermore, the implicit modeling-based nTopology software is mentioned with pros and cons by giving different kinds of applications. Chapter 5 consists of the fundamental of design for AM, the baseline and type of SO such as size, shape, and TO are introduced. The basics of TO are explained by considering solid isotropic material with a penalization solution method and the real industrial applications of topology optimization are also discussed. Moreover, the design workflow and mock-up fabrication of selected two structural brackets are expressed step by step in Chapter 6. Chapter 7 includes the metal AM of the structural brackets as a prototype thanks to E-PBF. The production is done to pave the way for the related structural test (tensile test, mechanical shock, and vibration) for validation as an end-use product according to military standard in Chapter 8. Additionally, Chapter 9 consist of the economic feasibility of the structural brackets. The achievement and outcome of this thesis are given as a conclusion step by step in Chapter 10.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    690566

    Dynamic characterization and optimization of additively manufactured tpms lattice structures

    Katmanlı üretilen tpms kafes yapılarının dinamik karakterizasyonu ve optimizasyonu

    UĞUR ŞİMŞEK

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Makine MühendisliğiÖzyeğin Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. POLAT ŞENDUR

  2. Tez No

    894844

    Eklemeli imalatta hibrit yapıların topoloji optimizasyonu

    Topology optimization of hybrid structures in additive manufacturing

    FEHMİ MUTLU

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Makine MühendisliğiSüleyman Demirel Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MEHMET CENGİZ KAYACAN

  3. Tez No

    853218

    Ökzetik (auxetic) çok hücreli kiriş yapıların eğilme davranışı

    Bending behaviour of auxetic multicellular beam structures

    MEHMET FATİH KAHRAMAN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Makine MühendisliğiSakarya Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. KENAN GENEL

  4. Tez No

    856323

    A novel hybrid scaffold for managing critical size mandibular defects

    Kritik boyutlu mandibüler hasarların yönetimi için yeni bir hibrit doku iskele modeli

    SAİT EMRE DOĞAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    BiyomühendislikBoğaziçi Üniversitesi

    Biyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. CENGİZHAN ÖZTÜRK

    PROF. DR. BAHATTİN KOÇ

  5. Tez No

    670691

    Deformation behavior of thin walled structures filled with auxetic and non-auxetic core materials

    Ökzetik ve ökzetik olmayan dolgu malzemeli ince cidarlı yapıların deformasyon davranışı

    FATİH USTA

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HALİT SÜLEYMAN TÜRKMEN

    PROF. DR. FABRIZIO SCARPA

Geri Dön