Numerical modeling of sintering in binder jetting additive manufacturing process
Bağlayıcı püskürtmeli eklemeli imalat prosesinde sinterlemenin sayısal modellemesi
- Tez No: 944955
- Danışmanlar: DOÇ. DR. EMRECAN SÖYLEMEZ
- 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: 165
Özet
Bağlayıcı püskürtmeli eklemeli imalat (BPEİ) yöntemi, karmaşık geometrilerin imal edilebilmesi, destek yapılar olmadan ve artık gerilmelerden etkienmeden parça üretilebilmesi ve diğer eklemeli imalat (Eİ) yöntemlerine kıyasla yüksek hızda üretim imkanı sağlaması nedeniyle önemli bir eklemeli imalat yöntemidir. Her ne kadar BPEİ, diğer Eİ yöntemlerine göre daha hızlı bir üretim kapasitesi sunsa da, imalat sonrası tam yoğunluğa ulaşmak için sinterleme veya infiltasyon gibi yöntemleri gerektirmektedir. Sinterleme sonrası oluşan büzülme ve fırın koşullarının hassasiyet gerektirmesi gibi zorluklar, bu yöntemi zor bir teknik haline getirmektedir. Bu tezde, BPEİ yöntemiyle imal edilmiş yeşil parçaların sinterleme sürecindeki geometrik büzülmesini izlemek için anlık gözlem kamera sistemi geliştirilmiş ve bu sistemle alınan görüntüler üzerinden görüntü işleme teknikleri ile büzülme miktarları ölçülmüştür. Fırın içerisinden belirli aralıklarla alınan görüntülerdeki boyutsal değişimler, Arrhenius formundaki sinterleme bünye denkleminin deneysel katsayılarını belirlemek için kullanılmıştır. Ardından, bu kalibre edilmiş sıcaklık profili kullanılarak çeşitli geometriler üzerinde Ansys aracılığıyla sonlu eleman analizleri (SEA) gerçekleştirildi. Ayrıca tasarlanan nihai parçaların toleransları dahilinde, vaka çalışmaları ile telafi edilmiş geometriler oluşturulmuştur. Çalışmada iki farklı fırın kullanılmıştır. Alumina tüp fırın, sinter esnasında içinden görüntü alınan fırındır. Diğer fırın ise vakum fırındır. Daha büyük parçaların sinterlenebilmesi için tüp fırınla eşdeğer bir reçete, vakum fırında tespit edilerek bu reçete ile vakum fırında sinterleme yapılmıştır. 1. Bölüm, BPEİ süreci hakkında literatür taramasını, püskürtülebilir bağlayıcılar için önemli parametreleri, bağlayıcı kaldırma problemlerini, sinterleme aşamalarını ve sinterleme için türetilmiş lineer viskoz tabanlı bünye bağıntısını içermektedir. 2. Bölüm, malzeme karakterizasyonunu, imalat ve imalat sonrası işlemleri, sinterleme için geliştirilen anlık gözlem görüntüleme sistemini ve deneysel sonuçları kapsamaktadır. 3. Bölümde, 2. Bölümde sunulan küp geometrisinin zamana bağlı büzülme davranışı kullanılarak Arrhenius formundaki bünye bağıntının kalibrasyonu yapılmıştır. Bu kalibrasyon ile SEA gerçekleştirilerek sinterlenmiş parçalar ile SEA geometrilerinin karşılaştırması sunulmuştur. Nihai parçalar üç boyutlu (3B) tarayıcı kullanılarak taranmış ve hem orijinal hem de kompanse edilmiş geometriler için SEA tahminleri ile gerçek parçalar arasındaki sapmalar değerlendirilmiştir. Sinterleme deformasyonu tahminleri, deneysel sonuçlarla güçlü bir uyum göstermiştir; çoğu geometride ortalama sapmalar genellikle %2–3'ün altında kalmıştır. Maksimum sapmalar, parçanın orijinal referans yüksekliğine göre değerlendirildiğinde, orta kalınlıktaki bölgelerde %5'in altında, ince kesitli bölgelerde ise en fazla %10 seviyelerinde gözlemlenmiştir.
Özet (Çeviri)
Binder jetting additive manufacturing (BJT) is a significant additive manufacturing (AM) method due to its capability to produce complex geometries, print unsupported parts without being affected by residual stresses, and enable high-speed fabrication compared to other AM methods. While BJT offers a faster production capacity compared to other AM methods, it requires post-processing techniques such as sintering or infiltration to achieve full density. Challenges such as shrinkage during sintering and the need for precisely controlled furnace conditions make it a demanding technique to work with. In this thesis, a custom in-situ camera system was employed to observe the geometric shrinkage of green parts produced via the BJT process during sintering, and the shrinkage was measured using image processing techniques. The dimensional shrinkages recorded from images taken at specific intervals inside the furnace were used to calibrate the experimental coefficients in the Arrhenius-form sintering constitutive relation. Subsequently, finite element analyses (FEA) were conducted using this calibrated temperature profile on various geometries via Ansys software. Moreover compensated geometries were established through case studies within tolerances of the designed final parts. Experiments were conducted using two different furnaces in the study. The alumina tube furnace setup was used as the furnace from which we could take images with a camera. Second furnace is called vacuum furnace. For sintering larger parts, a recipe equivalent to the tube furnace was found in the vacuum furnace and used for them. Chapter 1 provides a literature review on the BJT process, key parameters for jettable binders, debinding issues, sintering stages, and the derivation of the linear viscous constitutive relation for sintering. Chapter 2 covers material characterization, printing, post-printing processes, the in-situ image processing setup developed for sintering, and the experimental results. In Chapter 3, the Arrhenius-form constitutive relation was calibrated using the time-dependent shrinkage behavior of the cube geometry presented in Chapter 2. Based on this calibration, FEA simulations were performed. The chapter then presents a comparison between the FEA results and the sintered part geometries, in which the final parts were scanned using a three-dimensional (3D) scanner. Deviations between the FEA predictions and the actual parts were evaluated for both the original and the compensated geometries. The sintering deformation predictions showed strong agreement with experimental results, with average deviations typically below 2-3% across most geometries. Maximum deviations were observed to be less than 5% for moderately thick regions and up to 10% in locally thin sections, when evaluated relative to the original reference height of the part.
Benzer Tezler
- Bağlayıcı püskürtme eklemeli imalat parametrelerinin CoCr-Mo (F75) alaşım için çok amaçlı optimizasyonu
Multi objective optimization of binder jetting additive manufacturing process parameters for CoCr-Mo (F75) alloy
AHMET SELİM KOCA
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. EMRECAN SÖYLEMEZ
DR. ÖĞR. ÜYESİ RECEP ÖNLER
- Tungsten ağır alaşımlarının yüksek gerinme hızlarında deformasyonunun deneysel ve sayısal yöntemler ile araştırılması
Investigation of high strain rate deformation of tungsten heavy alloys with experimental and numerical methods
HAKAN HAFIZOĞLU
Doktora
Türkçe
2019
Makine MühendisliğiTOBB Ekonomi ve Teknoloji ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NURİ DURLU
- Seramiklerin pyroplastik davranışının modellenmesi
Modeling of the pyroplastic behavior of ceramics
ULUĞ KERİM YÜCEL
Doktora
Türkçe
2022
Makine MühendisliğiEge ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HASAN YILDIZ
- Toz metal parçaların indüksiyonla sinterleme prosesinin deneysel ve teorik olarak modellenmesi
Experimental and theoretical modeling of induction sintering process of powder metal parts
GÖKSAN AKPINAR
Doktora
Türkçe
2013
Makine MühendisliğiCelal Bayar ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ENVER ATİK
- Toz metalurjisinde elektrik alan sinterleme tekniğinin bilgisayar destekli olarak modellenmesi ve simülasyonu
Computer aided modeling and simulation of electric field sintering technique i̇n powder metallurgy
SEMİH RECEP FERİK
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Makine MühendisliğiEge ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. RASİM İPEK