Geometry-aware support design for additive manufacturing
Eklemeli imalat için geometriye duyarlı destek tasarımı
- Tez No: 944704
- Danışmanlar: DOÇ. DR. ERKAN GÜNPINAR
- Tez Türü: Doktora
- 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: Makine Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 140
Özet
Son yıllarda eklemeli imalat (Additive Manufacturing - AM), sunduğu önemli avantajlar nedeniyle hem akademi hem de sanayi çevrelerinde büyük ilgi görmektedir. Bu ilgi, karmaşık geometrilerin üretimi için önemli bir olanak sağlamış ve bununla birlikte bu tür parçalar için farklı destek yapılarına olan ihtiyaç da artmıştır. AM süreçlerinde, destek yapılarının hacminin ve üretim zamanının azaltılması önemli bir hedefken, hedef modelin mekanik özelliklerinin ve geometrik hatalarının istenilen düzeyde olması da göz önünde bulundurulmalıdır. Bu iki hedefin uyumlu bir şekilde gerçekleştirilmesi, hem maliyetleri düşürmek hem de baskı kalitesini artırmak açısından kritik bir öneme sahiptir. Bu doktora tezi, destek elemanlarının tasarımını geliştirerek ve imalat parametrelerini optimize ederek, hedef modelin geometrik özelliklerini iyileştirmeyi amaçlamıştır. Bu bağlamda, destek yapılarının verimliliğini artırmak ve baskı süreçlerinde oluşan hataları minimize etmek için yenilikçi yöntemler geliştirilmiş, ayrıca mekanik performansı artırmak amacıyla süreç parametreleri üzerinde çeşitli iyileştirmeler yapılmıştır. Bu kapsamda, ilerleme hızı, destek mesafesi ve nozzle sıcaklığı gibi işlem parametrelerine dayalı olarak mekanik sonuçları tahmin edebilen veri odaklı modeller geliştirilmiştir. Bununla birlikte, geometrik hataları azaltmak ve destek malzemesi tüketimini optimize etmek amacıyla, Pythagorean-Hodograph (PH) eğrileri temelli yeni destek yapı tasarımları önerilmiştir. Geliştirilen bu yöntem, eklemeli imalat süreçlerinde hem öngörülebilirliği artırmakta hem de üretim verimliliğine katkı sağlamaktadır. Böylece daha optimum tasarım stratejilerinin benimsenmesi ve güvenilir parça üretiminin gerçekleştirilmesi mümkün hale gelmektedir. Özellikle, destek elemanlarının tasarımında PH eğrilerinin kullanılması, destek yapılarında yenilikçi ve etkili bir yaklaşım sunarak bu alana önemli bir katkı sağlamıştır. Bu çalışma, eklemeli imalat (AM) parçalarında uygun olmayan mekanik performans sorununu, temel baskı parametrelerinin ve destek mesafelerinin etkisini inceleyerek ele almaktadır. Desteklenmeyen noktalarda ekstrüde edilen malzemenin sarkması veya deforme olması sonucu oluşan yetersiz destek elemanları, yalnızca parça kalitesini düşürmekle kalmayıp aynı zamanda mekanik bütünlüğü de tehlikeye sokmaktadır. Bu tür sorunlar, parçanın dayanıklılığını ve işlevselliğini olumsuz yönde etkileyebilir, bu da üretim süreçlerinde kalite kontrolünü ve güvenilirliği daha da önemli hale getirmektedir. Bu sorunları hafifletmek amacıyla öncelikli olarak, besleme hızı, destek mesafesi ve nozzle sıcaklığı gibi parametrelere dayalı olarak AM parçalarının maksimum gerilme ve deformasyon değerlerini tahmin eden iki tahmin modeli (EM) geliştirilmiştir. Geliştirilen modeller, merkezi bileşik tasarım (CCD) yöntemi kullanılarak elde edilmiş ve sistematik örnekleme yoluyla doğrulukları artırılmıştır. Modellerin geçerliliğini sağlamak amacıyla kapsamlı çekme testleri gerçekleştirilmiştir. Bu tahmin modelleri, önceden belirlenmiş mekanik performans kriterlerini karşılamak için optimal işlem parametrelerini otomatik olarak öneren bir proses optimizasyon çerçevesine entegre edilmiştir. Ek testler ile doğrulanmış tahmini modeller ayrıca makine öğrenmesi modelleri ile karşılaştırılarak modellerin doğruluğu kontrol edilmiştir. Bu çalışmada ayrıca, üç eksenli eklemeli imalat (AM) için verimli bir destek yapısı tasarım metodolojisi sunulmakta olup, özellikle konformal baskı yolu stratejisine odaklanılmaktadır. Destek yoğunluğu ile geometrik doğruluk arasındaki denge gözetilerek geliştirilen bu yaklaşım, baskı yolu geometrisine bağlı olarak destek elemanlarının optimum yerleşimiyle entegre edilmekte; böylece destek elemanlarının üretim süresi ve hacmi azaltılmakta ve geometrik doğruluk iyileştirilmektedir. Bu kapsamda önerilen yeni destek elemanı tasarım yöntemi, sekiz farklı test senaryosu üzerinden doğrulanmış olup, geleneksel destek üretim teknikleriyle karşılaştırıldığında ortalama \%16 oranında destek malzemesi tasarrufu ve \%73 oranında geometrik doğruluk artışı sağlamıştır. Elde edilen bulgular, geometriye duyarlı destek planlamasının, katkılı imalat süreçlerinde hem malzeme verimliliğini hem de boyutsal hassasiyeti artırma potansiyelini açıkça ortaya koymaktadır. Bu çalışmada son olarak, destek yapılarının oluşturulmasında Pisagor Hodograf (Pythagorean Hodograph - PH) eğrilerini kullanan yeni bir çerçeve önerilmiştir. PH eğrileri, sahip oldukları düzgün kavis geçişleri ve matematiksel olarak kolaylıkla elde edilebilen offset (öteleme) özellikleri sayesinde, destek yapıların daha düzenli, dengeli ve optimize edilmiş şekilde yerleştirilmesine olanak tanımaktadır. Bu sayede, üretim sırasında oluşabilecek geometrik hatalar en aza indirilebilmekte, yüzey kalitesi artırılmakta ve makine titreşimleri önemli ölçüde azaltılmaktadır. Çalışma kapsamında, destek elemanı tasarımında iki farklı PH tabanlı yaklaşım geliştirilmiştir: PHs ve O-PHs yapıları. Bu yapıların, desteklerin parçaya olan temasını daha kontrollü hale getirerek desteklerin üretimini kolaylaştırdığı ve parçadan ayrılmasını daha pratik hale getirdiği gösterilmiştir. Ayrıca, destek elemanlarının üretim sıralamasının optimizasyonu için Gezgin Satıcı Problemi (TSP) tabanlı bir algoritma entegrasyonu gerçekleştirilmiştir. Bu algoritma sayesinde baskı yolları minimize edilmiş, üretim süresi kısaltılmış ve baskı sürecinin genel verimliliği artırılmıştır. Yapılan deneysel analizler, PHs ve özellikle O-PHs yapılarının, geleneksel destek sistemlerine kıyasla üretilen parçaların geometrik doğruluğunu önemli ölçüde artırdığını, yüzey kalitesini iyileştirdiğini ve baskı sürelerini kayda değer oranda azalttığını ortaya koymuştur. Ayrıca, keskin geçişler yerine yumuşak ve akıcı geçişlere sahip olan bu destek yapıları, karmaşık geometrilere sahip parçaların üretimini kolaylaştırarak, daha güvenilir ve tekrarlanabilir bir üretim süreci sağlamaktadır. Bu yenilikçi yöntemlerin geliştirilmesi, eklemeli imalat (Additive Manufacturing - AM) süreçlerinin daha verimli, ekonomik ve güvenilir bir yapıya kavuşmasına önemli ölçüde katkı sağlamaktadır. Özellikle PH (Pythagorean Hodograph) eğrilerine dayalı destek yapı tasarımlarının üretim süreçlerine entegre edilmesi, yalnızca geometrik doğruluk ve yüzey kalitesinde iyileşme sağlamakla kalmamakta, aynı zamanda üretim süresini azaltarak operasyonel verimliliği de artırmaktadır. Geliştirilen bu gelişmiş destek yapı stratejileri, gereksiz malzeme kullanımını minimize ederek üretim maliyetlerini düşürmekte ve sürdürülebilir üretim hedefleriyle de uyumlu bir çözüm sunmaktadır. Ayrıca, daha dengeli ve optimize yerleşimli destek yapıları sayesinde, parça bütünlüğü korunmakta, üretim sonrası temizlik ve işlem adımları da daha kolay ve az maliyetli hale gelmektedir. Bu çalışma ile elde edilen sonuçlar, eklemeli imalat teknolojisinin hem akademik araştırmalar hem de endüstriyel uygulamalar açısından çok daha etkin ve yaygın bir biçimde kullanılmasına zemin hazırlamaktadır. PH eğrileri ve destek yapılarına yönelik bu bütünsel yaklaşım, tasarımdan üretime kadar olan tüm süreci daha kontrollü, öngörülebilir ve esnek hale getirmekte; böylece tasarım özgürlüğünün sunduğu avantajları, üretim süreçlerine verimli bir şekilde entegre edebilmektedir. Bu bağlamda, eklemeli imalatın sunduğu potansiyelin daha da ileri taşınması mümkün hale gelirken, üretim dünyasında dijitalleşme ve otomasyon odaklı dönüşümlere öncülük edecek bir adım atılmış olmaktadır. Eklemeli imalatın bu denli verimli ve optimize edilmiş hale getirilmesi, sadece üretim maliyetlerini düşürmekle kalmaz; aynı zamanda daha karmaşık, özelleştirilmiş ve yüksek hassasiyet gerektiren parçaların üretimini mümkün kılar. Bu durum, özellikle havacılık, savunma, medikal ve otomotiv gibi yüksek hassasiyet ve düşük tolerans aralığı gerektiren alanlarda devrim niteliğinde uygulamalara olanak sunar. Sonuç olarak, bu çalışma yalnızca mevcut üretim teknolojilerine katkı sağlamakla kalmamakta, aynı zamanda gelecekteki üretim anlayışının temelini oluşturmaktadır.
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 systematic approaches for enhancing mechanical property estimation and improving geometric accuracy through support structure design. Specifically, the study introduces data-driven models to predict mechanical outcomes based on process parameters such as feed rate, support distance, and nozzle temperature. In parallel, novel support generation techniques—such as conformal and Pythagorean-Hodograph (PH) curve-based structures—are proposed to reduce geometric errors and optimize support material usage. The presented methods aim to improve both predictability and efficiency in AM processes, paving the way for smarter design strategies and more reliable part production. Through experimental validation and comparative analysis, this work highlights the critical role of support design in achieving functional and structurally sound AM components. This dissertation first addresses the challenge of poor bridging and mechanical performance in additive manufacturing (AM) parts by examining the influence of key process parameters and support distances. Poor bridging, which occurs when material extruded between unsupported points sags or deforms, not only affects part quality but also compromises mechanical integrity. To mitigate these issues, two estimated models (EMs) are developed to predict the ultimate stress and strain of AM parts based on feed rate, support distance, and nozzle temperature. The EMs are derived using a central composite design (CCD) method and refined through systematic sampling for improved accuracy. Extensive tensile tests are conducted to validate the models. Finally, the EMs are integrated into a process optimization framework that automatically suggests optimal process parameters to meet predefined mechanical performance criteria. This approach enhances both the reliability and efficiency of AM production by enabling data-driven tuning of manufacturing parameters. An efficient support structure design methodology is then introduced for three-axis additive manufacturing, with a particular focus on conformal print-path strategies. Recognizing the trade-off between support density and geometric accuracy, the proposed approach integrates print-path geometry into support placement, ensuring controlled support distances and minimizing the risk of unsupported features. The method has been validated across eight diverse test cases, demonstrating a notable reduction in support material usage by an average of 16\% and a significant enhancement in geometric accuracy by 73\% compared to conventional support generation techniques. These results highlight the potential of geometry-aware support planning to enhance both material efficiency and dimensional fidelity in AM processes. Finally, a novel framework is proposed for generating supports in additive manufacturing (AM) using Pythagorean Hodograph (PH) curves. PH curves offer significant advantages in AM by enabling smooth geometry transitions and demonstrating favorable offset properties, which promote uniform support spacing, minimize poor bridging effects, and reduce machine vibrations. We propose two distinct PH-based support (PHs and O-PHs) design schemes integrated with a type of Traveling Salesman Problem (TSP) based print sequencing algorithm. The results show that both O-PHs and PHs significantly improve geometric accuracy in printed parts and reduce their print times.
Benzer Tezler
- Anahtarlamalı güç kaynağı transformatörü tasarımı ve magnetik malzeme seçimi
Başlık çevirisi yok
AHMET GÜRBÜZ
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EMİN TACER
- HCNG yakıtlı benzin motorunda fraktal yanma modeli ile simülasyon ve parametrik optimizasyon çalışması
Simulation and parametric optimization study with fractal combustion model in HCNG fuelled gasoline engine
EREN ÖZDEMİR
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ALPER TOLGA ÇALIK
- Tünel kazılarında oluşan solunabilir tozun etüdü
Respirable dust generation in Tünnel excavetions
ATAÇ BAŞÇETİN
Yüksek Lisans
Türkçe
1995
Maden Mühendisliği ve Madencilikİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF.DR. ERDİL AYVAZOĞLU
- Jib portal krenin tasarımı ve sonlu elemanlar metoduna göre analizi
Design of a jib portal crane and analysis with finite element method
FEYYAZ AYDEMİR
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SERPİL KURT HABİBOĞLU
- Yeraltı madenciliğinde bilgisayar destekli havalandırma tasarımı
Computer aided ventilation design in underground mining
RUFULLA SHAHBAZLI
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Maden Mühendisliği ve Madencilikİstanbul Üniversitesi-CerrahpaşaMaden Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. DENİZ ADIGÜZEL