Numerıcal modelıng of surface ımperfectıons ın addıtıvely manufactured TPMS structures usıng meshless methods
Eklemeli imalatla üretilen TPMS yapılarda yüzey kusurlarının ağsız çözüm yöntemleri kullanılarak sayısal modellenmesi
- Tez No: 942957
- Danışmanlar: PROF. MESUT KIRCA
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Katı Cisimlerin Mekaniği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 115
Özet
Eklemeli imalat çağımızın popüler üretim yöntemi olarak hem akademik çalışmalarda hem de endüstriyel uygulamalarda sıklıkla karşımıza çıkmaktadır. Eklemeli imalat yönteminin üretim sırasında malzeme israfını azaltabilmesi ve karmaşık geometrileri klasik üretim metotlarına kıyasla hızlı üretebilmesi onu havacılık, otomotiv, tıp alanlarındaki gelenekselleşmiş üretim yöntemlerine kıyasla güçlü bir alternatif haline getirmiştir. Metal, plastik ya da kompozit malzemelerin kullanabilmesine olanak sağlayan bu yöntem özellikle 3 boyutlu yazıcıların da popülerleşmesiyle ev içi kullanımlara, prototip veya model üretimlerine dahi olanak sağlamaktadır. Amerikan Test ve Malzeme Birliği (ASTM) eklemeli imalatı üretim metodolojisi açısından 7 ana başlığa ayırmıştır. Bunlardan metal üretim endüstrisinde sektördeki en büyük payı seçici lazer ergitme (SLM) oluşturmaktadır. Bu yöntem temel olarak bir toz yatağındaki metal partiküllerini lazer kaynağından aldığı ışınlar vasıtasıyla eriterek net geometriyi katmanlı olarak üretmeyi hedefler. Gelişen lazer teknolojileri birçok karmaşık şeklin SLM metodu ile üretilmesine olanak sağlamaktadır. Temel mühendislik problemlerinden olan topoloji optimizasyonu ile ağırlık azaltma fikri birçok kafes yapısının günümüz endüstrisinde kullanılmasına sebep olmuştur. Eklemeli imalat ise geleneksel üretim yöntemlerinin çoğu zaman ihtiyaç duyduğu döküm, talaşlı imalat veya kaynağa ihtiyaç duymadan karmaşık ya da düzenli kafes yapılarının üretilmesi ve incelenmesi konusunda etki alanını artırmaktadır. Literatürde farklı tip kafes yapılarının eklemeli imalat ile üretilmesine dayalı çalışmalar bulunabilmektedir. Bu kafes yapılarından birini de 19. yüzyılın ortalarında Schwarz tarafından geliştirilen üçlü periyodik minimal yüzeyler (TPMS) oluşturmaktadır. Aslında matematiksel bir problemin çözümü olarak, sonsuz ve kendini tekrar eden polinomların 3 boyutlu hacim içerisinde formasyonlarını incelemek için oluşturulmuş TPMS yüzeyler, özellikle eklemeli imalatın karmaşık geometrileri üretebilmesi özelliği sayesinde günümüzde makine mühendisliği, tıp, akustik ve optik gibi alanlarda kendine kullanım alanı bulmaktadır. Tanımında bahsedildiği üzere tekrar eden polinomların katı modellenmesi ile oluşturulan bu yapılar, formasyonlarında herkesçe aşina olunan sinüs ve kosinüs fonksiyonlarının varyasyonlarını ihtiva eder. Eklemeli imalat her ne kadar üretim teknolojilerine birçok kolaylık getirmiş olsa da kendine has üretim problemlerini de barındırmaktadır. Lazer ya da elektron tabancası ile oluşturulan geometriler ısı kaynağının gücüne bağlı olarak net geometride çoğu zaman çarpılmalara sebep olmaktadır. Bir diğer üretim problemi ise (özellikle boşluklu yapılarda giderilmesi imkansıza yakın olan) yüzey pürüzlülüğü problemleridir. Ergimiş toz partiküllerinin oluşturduğu düşük basınç alanı sebebiyle lazer odak noktası etrafındaki toz partiküllerin basınç kontrolsüz ortamlarda yüzeye yapışabilmesi veya lazer odak noktasının hemen altındaki partiküller zaman zaman üst yüzeyden daha önce eriyebilmesi kontrol edilemeyen yüzey pürüzlülüğü problemi oluşturmaktadır. Endüstriyel uygulamalarda mikro düzeydeki bu yüzey pürüzlülüğü kendini keskin köşe, boşluk veya çatlak olarak gösterebilmektedir. Bunu gidermek için çoğu zaman eklemeli imalat ile üretilen geometriler ek bir yüzey iyileştirme işlemine tabi tutulur. Ancak boşluklu kafes yapılarda her noktaya erişim mümkün olmamaktadır. Dolayısı ile eklemeli imalat ile üretilen karmaşık kafes yapıları çoğu zaman yüzey pürüzlülüğü açısından olduğu gibi bırakılmaktadır. TPMS geometriler ile daha önce yapılmış çalışmalar yüzey pürüzlülüğünün mamulün mekanik özelliklerini doğrudan etkilediğini kanıtlamıştır. Özellikle keskin köşeler, istenmeyen gerilme konsantrasyonu oluşturmakta ve elastisite modüllerini düşürme eğilimi göstermektedir. Literatürde bu geometrik bozulmayı incelemek için basılan parçalar hem elektron mikroskobu ile incelenmiş hem de bilgisayarlı tomografi marifetiyle üretilen gerçek geometriler ile tasarlanan geometriler arasındaki farklar ortaya konulmuştur. Tasarlanan geometrilerin ve taranmış geometrilerin gerçekleştirilen mekanik testlerini tekrarlamak amacıyla sonlu elemanlar metodunun kullanılması, literatür araştırması sırasında gözlenmiştir. Bu analitik çalışmalar, üretilen gerçek geometrilerin taraması veya tasarlanan geometrileri yüzey pürüzlülüğü eklemeden doğrudan kullanması sebebi ile gerçek bir üretime veya test mekanizmasına ihtiyaç duymaktadır. Sonlu elemanlar yönteminin ihtiyaç duyduğu ağ yapı ise, özellikle yüzey pürüzlülüğü gibi mikro ölçekte bir deformasyonun modellenmesini oldukça güçleştirmektedir. Mikro düzeydeki geometrik bir uygunsuzluğun modellenmesi eleman sayısını ve dolayısıyla denklem sayısını artırmakta, çözümü güçleştirmektedir. Bu tez kapsamında literatürde incelenmiş TPMS yapıların geometrik açıdan karşılaştırmasından yola çıkılarak yüzey pürüzlülüğün geometrik modellenmesi MATLAB programı yardımıyla gerçekleştirilmiştir. TPMS geometrilerin periyodik sinüs ve kosinüs fonksiyonlarından oluşmasından hareketle, dalga formundaki bu fonksiyonlara, MATLAB komutları ekleme marifetiyle gürültü (yüzey pürüzlülüğü) eklenmiş ve yüzey pürüzlülüğü gerçek parça taranmasına ihtiyaç duyulmadan elde edilmiştir. Önceki çalışmalarda sıklıkla kullanılan Gyroid, Diamond ve Primitive TPMS tipleri tez kapsamında incelenmiştir. Yine önceki çalışmalardan hareketle hacim oranları (iç yapı boşluğu) literatürde gerçekleştirilmiş mekanik testlerle aynı tutulmuş ve ortaya çıkan gürültü ekli kafes yapıların doğruluğu Siemens NX programında tespit edilmiştir. Son olarak yüzey pürüzlülüğü ekli modeller ağsız çözüm metodu kullanılarak sonlu elemanlar yardımıyla bası testine tabii tutulmuştur. Ayrıca ağsız çözüm metodunun parametrelerini belirlemek amacıyla, Gyroid kafes yapısı geleneksel sonlu elemanlar metodu ile de modellenmiş ve aralarındaki isabet farkı incelenmiştir. Testi modellemek amacıyla kafes yapıların altına ve üstüne rijit plakalar tasarlanmış, sınır koşulları bu plakalardan uygulanmıştır. İncelenen kafes yapıları düz plakalar ile birlikte tek seferde üretildikleri için, ağsız modelde plakalar ile kafes yapılar arasına bağlı kontak uygulanmıştır. Alt rijit plakadan sabitlenen geometrilere üst plakadan tek eksenli bası kuvveti uygulanmış ve analiz sonucunda alt plakadan reaksiyon kuvvetleri okunmuştur. Elde edilen reaksiyon kuvvetleri net plaka alanına bölünerek gerilmeler hesaplanmış ardından birim uzamalar yardımıyla yapıların elastisite modülleri hesaplanmıştır. Çalışmalar sonucundan bulunan elastisite modülleri literatürde gerçekleştirilmiş olan test sonuçları ve daha önce tomografi yardımıyla ile taranmış geometrilerle oluşturulan modellerin elastisite sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Sonuçlar, uygulanmış olan gürültünün yüzey pürüzlülüğünü modellemedeki başarısını karşılaştırmalı olarak ortaya koymaktadır. Parça imalatı ve taranmasına ihtiyaç duyulmadan, mevcut üretim varyasyonları eklenmiş kafes yapıların mekanik özelliklerindeki değişimler bu tez kapsamında sunulmuştur.
Özet (Çeviri)
Additive manufacturing is increasing its popularity in both academic and industrial applications. By providing minimum material waste and the opportunity to build up complex shapes in faster production types, the aviation, automotive, or medical industries are implementing additive manufacturing into their standard manufacturing option portfolio. A wide range of materials, including metals, polymers, and composites, can be processed using additive manufacturing. Especially on the aviation industry, Selective Laser Melting is the most dominant additive manufacturing method that is being used for metal printing. The ability of additive manufacturing to rapidly produce complex geometries allows industries to explore key engineering challenges, such as topology optimization and weight reduction. With advancements in manufacturing technology, various geometric shapes and scaffold structures are being studied in both academic research and industry to optimize weight and mechanical performance. One of these geometrical applications is Triply Periodic Minimal Surfaces which provides symmetrical continuous smooth scaffold structures. These mathematically generated periodic scaffolds are widely studied in academic research, as they allow weight reduction through controlled porosity while also minimizing stress concentrations at transition regions. However, due to the nature of additive manufacturing, several challenges remain, including undesired surface roughness in printed geometries. In basic applications, post-surface treatments can be applied. However, its impractical to implement surface treatment on complex geometries such as TPMS which has inaccessible cavities. Surface roughness has a direct impact on the mechanical properties of additively manufactured TPMS structures, as it affects the effective sheet thickness in their symmetrical periodic surfaces. Since surface enhancements are impractical, evaluating the mechanical properties of as-built scaffold structures has become increasingly critical. Beyond surface roughness, other key challenges in AM include residual stresses, porosity, and anisotropic mechanical properties, all of which influence the performance of fabricated TPMS structures. Addressing these issues requires advanced numerical modeling techniques, such as meshless methods, which offer flexibility in handling complex geometries without the need for fine meshing. The conventional Finite Element Method (FEM) requires fine mesh generation to model surface roughness, significantly increasing computational cost and manual effort. On the other hand, mechanical tests for each production are also expensive and require special test mechanisms. Advancements in computing power have enabled the adoption of alternative numerical analysis techniques, such as the Meshfree method. In the literature, computer-scanned geometries have been investigated and modeled under meshfree analysis to investigate the mechanical properties of TPMS structures. However, CT scanning requires additional equipment for production implementation, which negatively impacts manufacturing costs. In this study, literature-based geometric imperfections have been modeled in TPMS scaffolds using MATLAB scripts, and their impact has been analyzed through mechanical compression test simulations. This study investigates the effect of literature-based geometric deviations on Young's modulus in Gyroid, Diamond, and Primitive TPMS scaffolds, comparing results from MATLAB-generated models, CT-scanned geometries, and experimental compression tests. Documented errors and differences show the opportunity that MATLAB-driven geometric deviations can provide compliant results even more than CT-scanned geometries.
Benzer Tezler
- 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
2021
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HALİT SÜLEYMAN TÜRKMEN
PROF. DR. FABRIZIO SCARPA
- Numerical investigation of natural convection in dmlm process
Katmanlı imalatta doğal taşınımın sayısal incelenmesi
BERK ÖZADA
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ SERTAÇ ÇADIRCI
- Tramvay hattı titreşimlerinin zeminde yayılmasınıetkileyen faktörlerin incelenmesi
Analysis of factors affecting the propagation of tramline vibrations in the ground
ALİ FIRAT ÇİÇEK
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ZÜBEYDE ÖZTÜRK
- Spider camların düzleme dik yükleme halinde gerilme analizi
The behaviour of spider glass under out of plane loads
EREN KALAY
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. İSMAİL GERDEMELİ
- Mevcut betonarme bir binanın güçlendirme öncesi ve sonrası deprem güvenliğinin belirlenmesi
Başlık çevirisi yok
MERTER GÜRGÜN
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİşletme Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ERKAN ÖZER