Parametric investigation of mechanical properties for laser powder bed fusion processed Inco718 auxetic metamaterials
Lazer toz yatak füzyonu ile üretilen Inco718 auxetic metamalzemelerin mekanik özelliklerinin parametrik incelenmesi
- Tez No: 961239
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ HACI ABDULLAH TAŞDEMİR
- 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: Konstrüksiyon Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 85
Özet
Auxetik yapılar, geniş çapta metamalzeme sınıfı olarak tanınmakta olup, onlar geleneksel malzemelerden ayıran olağanüstü mekanik özellikleri sergileyen yapılar olarak bilinir. Bu yapılar, negatif Poisson oranı gibi benzersiz bir özelliğe sahiptir, bu da gerildiğinde çoğu malzemenin dikey yönde büzülmesinin aksine, her yönde genişlemelerine neden olur. Bunun yanı sıra, auxetik malzemeler negatif doğrusal sıkıştırılabilirlik gösterir, yani sıkıştırıldıklarında daha sertleşirler, ayrıca negatif termal genleşme katsayıları sergileyerek sıcaklık arttığında büzülürler. Bu tuhaf özellikler, auxetik yapıların enerji emilimi, darbe direnci ve dayanıklılığın kritik olduğu çok çeşitli endüstriyel uygulamalarda büyük avantajlar sağlamaktadır. Çeşitli pratik uygulamalar arasında, auxetik yapılar, enerji verimliliği ile enerji emme yetenekleri nedeniyle otomotiv, inşaat ve havacılık mühendisliği gibi sektörlerde önemli bir ilgi görmüştür. Örneğin, otomotiv endüstrisinde, auxetik malzemeler, çarpışma sırasında enerji emme kapasitesini artırarak araç güvenlik yapılarında çarpışma dayanıklılığını geliştirmek için kullanılabilir. Benzer şekilde, inşaat ve savunma sektörlerinde, auxetik metamalzeme ve malzemeler, yüksek darbe kuvvetlerine dayanma ve patlamalarda hasarı azaltma yetenekleri nedeniyle patlama direnci uygulamaları için artan bir şekilde araştırılmaktadır. Bu nedenle, auxetik malzemelerin geliştirilmesi, aşırı koşullarda dayanabilen, hasarı en aza indirerek yüksek performanslı yapıların tasarımında yeni fırsatlar sunmuştur. Auxetik metamalzemelerin ezilme davranışı ve enerji emme özellikleri literatürde geniş çapta incelenmiştir. Araştırmacılar, bu malzemelerin auxetik davranışlarının dışsal kuvvetler altında, dayanım, sertlik ve enerji dağılımı gibi mekanik özelliklerini nasıl etkilediğini araştırmışlardır. Bu araştırmalar, auxetik malzemelerin benzersiz şekillerde deformasyon gösterme ve enerji emme yeteneklerinin temel mekanizmalarını daha derinlemesine anlamayı sağlamış ve bu malzemeleri olağanüstü mekanik performans gerektiren uygulamalar için cazip hale getirmiştir. Mevcut çalışmada, Inconel 718 malzemesinden eklemeli üretim teknikleri kullanılarak üretilen auxetik yapıların mekanik özellikleri, eksenel sıkıştırma yükleri altında kapsamlı bir şekilde incelenmiştir. Bu araştırmanın odak noktası, birim hücrelerin geometrik parametrelerindeki değişikliklerin yapının genel mekanik davranışını nasıl etkilediğini anlamaktır. Geometrik parametrelerin analizine geçmeden önce, sonlu elemanlar (FEM) simülasyonlarının doğruluğunu sağlamak amacıyla bir doğrulama çalışması yapılmıştır. Bu tezde yapılan FEM analizlerinin doğruluğunu doğrulamak için, FEM modelindeki sınır koşulları, referans test çalışmasından elde edilen gerilme-uzama eğrisine uyacak şekilde ayarlanmıştır. Referans çalışmasında, aynı test üç kez yapılmış ve tutarlı sonuçlar elde edilmiştir. Bu çalışmadaki FEM analizi de benzer sonuçlar üretmiş, böylece modelin geçerliliği doğrulanmıştır. Referans çalışmasında, Quasi-static sıkıştırma testleri, sabit bir plaka hızıyla (0,5 mm/dakika) bir Instron 5985 evrensel test makinesi (Instron Inc., Norwood, MA, USA) kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Bu testlerde, alt plaka sabit tutulurken üst plaka aşağıya doğru hareket etmiştir. Numuneler, üst plakanın 40 mm'lik bir deplasmana ulaşana kadar sıkıştırılmıştır. FEM analizlerinin doğrulama çalışması için, COMSOL Multiphysics sonlu elemanlar yazılımı kullanılarak yapı üzerindeki tasarım parametresi varyasyonlarının mekanik özellikler üzerindeki etkisi incelenmiştir. Sonlu elemanlar modeli, tüm yönlerde tamamen kısıtlanmış olan temel yapının alt plakasıyla oluşturulmuştur. Üst plaka ise sabit hızıyla 40 mm'lik toplam deplasmana ulaşana kadar eksenel sıkıştırma hareketi yapmıştır, diğer yönlerde ise alt plaka sabit kalmıştır. Doğrulama çalışması, simülasyon sonuçlarını literatürde daha önce yayımlanan çalışma ile karşılaştırarak, sınır koşullarının, malzeme özelliklerinin, yükleme senaryolarının ve diğer parametrelerin doğru bir şekilde tanımlandığını doğrulamıştır. Bu doğrulama, geri dönüşümlü yapının mekanik özelliklerinin sonraki araştırmaları için sağlam bir temel sağlamıştır. Çalışma daha sonra, geri dönüşümlü yapıların birkaç kritik mekanik özelliğine odaklanmıştır. Akma dayanımı, enerji emilimi (EA), özgül enerji emilimi (SEA), ortalama ezilme kuvveti (MCF) ve ezilme kuvveti verimliliği (CFE). Bu özellikler, çeşitli geometrik parametreler sistematik bir şekilde değiştirilerek sekiz farklı geri dönüşümlü yapı geometrisi için değerlendirilmiştir. Amaç, bu faktörlerin malzemenin eksenel sıkıştırma yükü altındaki genel davranışını nasıl etkilediğini, özellikle enerji emme ve deformasyona karşı direnç sağlama yeteneğini anlamaktır. Sonlu elemanlar analizi sonuçları, farklı deformasyon seviyelerinde emilen enerjiyi ve geri dönüşümlü yapıların sertliğini değerlendirmek ve karşılaştırmak için kullanılmıştır. Bu simülasyonlardan elde edilen kuvvet-deplasman eğrileri, gerilme-uzama eğrilerine dönüştürülerek MATLAB'da eğri uyum fonksiyonları kullanılarak analiz edilmiştir. Bu, araştırmanın her konfigürasyon için emilen enerji değerlerinin belirlenmesini sağlamış, ayrıca geometrik parametrelerin yapıların genel mekanik performansını nasıl etkilediğine dair bilgiler sunmuştur. Sonuçlar, birkaç önemli bulgu ortaya koymuştur. Yapılan simülasyonlar, duvar kalınlığının artırılmasının mekanik performansı anlamlı ölçüde iyileştirdiğini; enerji emilimi (EA), özgül enerji emilimi (SEA), ortalama ezilme kuvveti (MCF) ve ezilme kuvveti verimliliği (CFE) gibi parametrelerde belirgin artışlar sağladığını göstermiştir. Geri dönüşümlü birim hücrelerin duvar kalınlıklarını arttırmak, tüm mekanik özelliklerde önemli bir iyileşmeye yol açmış, bu da kalın duvarların yapının genel performansı üzerinde olumlu bir etkisi olduğunu göstermektedir. Buna karşılık, birim hücre uzunluğu ve yüksekliğinin artırılması, yapısal rijitlik ve enerji sönümleme yeteneği üzerinde olumsuz etkiler yaratmıştır. Ayrıca, çalışmada geri dönüşümlü birim hücrelerin tasarımında açı değerlerinin artırılmasının malzemenin mekanik özelliklerinde bir azalmaya yol açtığı bulunmuştur. Bu gözlem, geri dönüşümlü yapıların geometrik tasarımının dikkatlice düşünülmesinin önemini vurgulamaktadır çünkü açıdaki değişiklikler, malzemenin sıkıştırma altındaki genel davranışını önemli ölçüde etkileyebilir. Sonuç olarak, bu çalışma, geri dönüşümlü auxetik yapıların mekanik özellikleri ile geometrik parametreler arasındaki ilişkiye dair değerli bilgiler sunmaktadır. Duvar uzunluğu, kalınlık ve açı gibi ana tasarım faktörlerinde yapılan değişikliklerle, bu malzemelerin belirli mühendislik uygulamaları için performanslarının optimize edilebileceği sonucuna varılmıştır. Bu bulgular, yüksek enerji emilimi ve olağanüstü mekanik performans gerektiren otomotiv, havacılık, inşaat ve savunma gibi endüstrilerde giderek daha önemli bir rol oynayacağı beklenen auxetik metamalzeme gelişimine katkıda bulunmaktadır.
Özet (Çeviri)
Auxetic structures, widely recognized as a class of metamaterials, are known for exhibiting extraordinary mechanical characteristics that set them apart from traditional materials. These structures possess a unique characteristic. Since they have a negative Poisson's ratio, when they are stretched, they expand in all directions, as opposed to most materials that contract perpendicular to the direction of applied force. Along with this, auxetic materials also demonstrate negative linear compressibility, meaning that they become stiffer when compressed, and negative thermal expansion coefficients, indicating that they contract when subjected to increases in temperature. These peculiar properties create highly effective auxetic structures and provide advantageous in different industrial applications, where energy absorption, impact resistance, and durability are critical. Among the various practical applications, auxetic structures have become more significant attention in different industries like automotive, construction and aerospace engineering, where their ability to absorb energy efficiently makes them ideal candidates for use in crash boxes, impact protection systems, and blast-resistant materials. For instance, in the automotive industry, auxetic materials can be incorporated into vehicle safety structures to enhance crashworthiness by improving their energy absorption capacity during collisions. Similarly, in the construction and defense sectors, auxetic metamaterials are increasingly being explored for blast-resistant applications due to their ability to withstand high-impact forces and mitigate damage during explosions. As a result, the development of auxetic materials has opened new opportunities for the design of advanced, high-performance structures that can withstand extreme conditions while minimizing damage. The energy absorption and crushing behavior characteristics of various types of different metamaterials have been extensively studied in the literature. Researchers have investigated how the auxetic behavior of these materials influences their mechanical properties, such as strength, stiffness, and energy dissipation, when subjected to external forces. This research has led to a deeper understanding of the fundamental mechanisms behind auxetic materials' ability to deform in unique ways and absorb energy, making them attractive for use in applications requiring materials with exceptional mechanical performance. In the current study, the mechanical characteristics of auxetic structures, which are fabricated using additive manufacturing techniques from Inconel 718 material, are thoroughly examined under axial compressive loads. The focus of this investigation is to understand how changes in the geometric parameters of the re-entrant unit cells effect overall mechanical behavior of the structure. The re-entrant structure, which is a specific type of auxetic material, is particularly interesting due to its ability to maintain enhanced strength when subjected to in-plane compressive loads, which are often encountered in real-world applications. Before proceeding with the analysis of geometric parameters, a validation study was carried out to ensure the accuracy of the finite element simulations. To validate the accuracy of the FEM analyses performed in this thesis, the boundary conditions in the The stress-strain curve derived from the reference test study was aligned with the FEM model. In the reference study, the same test was conducted three times on the identical geometry, yielding consistent results. The FEM analysis in this work also produced similar results, thereby confirming the validity of the model. In the reference study, an Instron 5985 universal testing machine (Instron Inc., Norwood, MA, USA) was used in the reference study to perform quasi-static compression tests at a constant velocity of 0.5 mm/min. During these experiments, the top crosshead moved in the direction of the bottom while the bottom crosshead remained motionless. The specimens were compressed until the top crosshead's displacement was 40 mm. For the FEM analyses validation study, the COMSOL Multiphysics finite element software program, was utilized to examine the impact of design parameter variations on the mechanical characteristic of the structure. The finite element model consisted of a bottom plate of the core structure, which was fully constrained in all directions. The top plate, however, underwent axial compressive displacement until a total displacement of 40 mm was reached at a steady state 0.5 mm/min crosshead velocity, while the other directions of the bottom plate remained fixed. The validation study compared the simulation results with those from previously published studies in the literature, ensuring that the boundary conditions, material properties, loading scenarios, and other parameters were defined correctly for further analysis. This validation provided a solid foundation for the subsequent investigation of the mechanical characteristics of the re-entrant structure. The study then focused on several critical mechanical characteristics of the re-entrant structures, such as yield strength, mean crush force (MCF), crush force efficiency (CFE), energy absorption (EA), and specific energy absorption (SEA). These characteristics were evaluated for eight distinct re-entrant structure geometries, with various geometric parameters such as unit cell angles, unit cell length, unit cell height and wall thicknesses being systematically varied. The goal was to determine how these factors influenced the material's overall behavior under axial compressive loading, particularly focusing on its ability to absorb energy and resist deformation. The absorbed energy at various strain levels was assessed and compared using the findings of finite element analysis, as well as the toughness of the re-entrant structures. The force-displacement curves created from these simulations were transformed into stress-strain curves, which were then analyzed using curve fitting functions in MATLAB. This allowed the researchers to determine absorbed energy and toughness values for each configuration, as well as provide insights into how the geometric parameters influenced the overall mechanical performance of the structures. The results revealed several key findings. The simulation results revealed that increasing wall thickness significantly enhances mechanical performance, improving crush force efficacy (CFE), mean crush force (MCF), specific energy absorption (SEA), and energy absorption (EA). Conversely, enlarging unit cell length and height negatively affected structural stiffness and energy dissipation capabilities. Additionally, the study found that increasing the angle values in the design of the re-entrant unit cells led to a reduction in the material's mechanical properties. This observation highlights the importance of carefully considering the geometric design of the re-entrant structures, as variations in angle can have a significant impact on the material's overall behavior under compression. In conclusion, this study offers important new information about how the mechanical characteristics of re-entrant auxetic structures relate to their geometric parameters. By altering key design factors such as wall length, thickness, height, and angle, it is possible to optimize the performance of these materials for specific engineering applications. These findings contribute to the ongoing development of auxetic metamaterials, which are expected to play an increasingly important role in industries that require high-energy absorption and exceptional mechanical performance, such as automotive, aerospace, construction and defense.
Benzer Tezler
- The influence of additive manufacturing process parameters on residual stress of 17-4 PH stainless steel parts manufactured by laser powder bed fusion additive manufacturing system
Seçici lazer toz yatağı eklemeli imalat yöntemi ile üretilmiş 17-4 PH paslanmaz çeliğinde eklemeli imalat proses parametrelerinin kalıntı gerilimler etkisi
GÖKHAN ÇELİK
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Metalurji MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CEMİL HAKAN GÜR
DOÇ. DR. CANER ŞİMŞİR
- Inconel 718 süper alaşımının vakum indüksiyon gaz atomizasyon (VIGA) ve lazer toz yataklı ergitme ile prosesi
Processing of inconel 718 super alloy with vacuum induction gas atomization (VIGA) and laser powder bed fusion
MÜCTEBA BURAK KARAKAŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Makine MühendisliğiBursa Teknik Üniversitesiİleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı
PROF. DR. DENİZ UZUNSOY
- Seçici lazer ergitme yöntemi ile üretilen malzemelerde üretim parametrelerinin mekanik özelliklere etkisinin incelenmesi
Investigation of the effect of production on mechanical properties of materials produced by selective laser melting method
ELİF ESRA BAYKAL
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Makine MühendisliğiGazi Üniversitesiİmalat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. GÜLTEKİN UZUN
- Mühendislik seramiklerinin SLS/M eklemeli imalat yöntemi ile üretilebilirliğinin incelenmesi
Investigation of the manufacturability of engineering ceramics with SLS/M additive manufacturing method
DURAN KAYA
Doktora
Türkçe
2024
Makine MühendisliğiGazi ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÖKHAN KÜÇÜKTÜRK
- Kömürlerin kendiliğnden yanmasının teorik ve deneysel incelenmesi
Theoretical and experimental investigations of spontonequs combustion of coals
FEHMİ AKGÜN