Geri Dön

Eklemeli imal edilen AlSi10Mg alaşımının üretim parametrelerinin mikroyapı ve mekanik davranışına etkisinin incelenmesi

Investigation of the effect of process parameters on the microstructure and mechanical behavior of additively manufactured AlSi10Mg alloy

PDF İndir

  1. Tez No: 987568
  2. Yazar: HASRET BAŞ
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. RAŞİD AHMED YILDIZ
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Alüminyum alaşımları, Bilgisayarlı mikrotomografi, Eklemeli üretim, Aluminum alloys, Computed microtomography
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Malzeme ve İmalat Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Endüstri 4.0 ile birlikte yaygınlaşan“Eklemeli İmalat”(Eİ) bir nesnenin katman katman malzeme eklenerek üretilmesini sağlayan bir ileri imalat yöntemi olarak tanımlanmaktadır. Bu sayede özellikle prototip oluşturma süreci hızlanmakta ve daha karmaşık geometriye sahip parçaların üretilmesinde zaman ve hammadde tasarrufu sağlanmaktadır. Her tüketiciye özel ve farklı ürünlerin üretilmesinde eklemeli imalat, geleneksel üretim yöntemlerine kıyasla büyük kolaylık sağlamaktadır. Talaşlı imalat yöntemlerinde meydana gelen artık malzeme bu üretim yönteminde ortaya çıkmaz. Ayrıca yine eklemeli imalatta ürün, özellikle karmaşık şekilli geometrilerin üretilmesinde kullanılan döküm yöntemindeki gibi uzun ve birçok aşamadan geçirilmez. Döküm yöntemindeki gibi birbirinden farklı geometrili her parça için maliyeti yüksek kalıplara ihtiyaç yoktur ve bu durum aynı şekilde malzemeden ve zamandan tasarruf edebilmeyi sağlar. Eklemeli imalat yedi farklı alt imalat yöntemine ayrılır. Neredeyse her malzeme türü eklemeli imalatın farklı yöntemleriyle üretilebilmektedir. Eklemeli imalatta kullanılan farklı alt imalat yöntemlerine göre birçok imalat parametresi vardır. Bu tez çalışmasında eklemeli imalatın yedi imalat yönteminden biri olan“Toz Yatak Füzyonu (PBF)”yöntemi ve enerji kaynağı olarak lazer kullanıldığını ifade eden“Lazer Toz Yatak Füzyonu (L-PBF)”tekniğinin bir alt dalı olan, özellikle metal malzemelerin imalatı için geliştirilen“Seçici Lazer Ergitme (SLM)”yöntemi kullanılmıştır. SLM sürecinde lazer ışını, CAD modelinden alınan kesit verilerine göre toz yatağına serili ince bir tabaka halindeki metal tozlarının yalnızca ilgili bölgelerini ergitir. Bu katmanın ergitilmesinin ardından platform (toz yatağı) belirlenen katman kalınlığı kadar aşağı iner. Toz besleme haznesinden bir merdane yardımıyla yeni bir toz tabakası serilir ve lazer kaynağı aynı şekilde bu katmanı da ergitir. Bu işlem birçok kez tekrarlanarak 3 boyutlu nihai parça oluşturulur. SLM sürecinde lazer gücü, tarama hızı, lazer ışın çapı, katman kalınlığı, tarama aralığı, tarama stratejisi, toz morfolojisi ve boyut dağılımı, ön ısıtma sıcaklığı, atmosfer ve toz yayma hızı gibi birçok parametre üretilen ürünlerin kalitesini doğrudan etkiler. Bu tez çalışmasında, SLM tekniği kullanılarak AlSi10Mg alaşım tozundan çekme numuneleri farklı parametrelerle üretilmiştir. İncelenen parametreler yukarıda bahsedilen farklı imalat parametrelerinden tarama hızı, tarama aralığı, lazer gücü ve yığma yönü parametreleridir. Bu parametrelerin AlSi10Mg çekme numunelerine etkisi incelenmiştir. İmal edilen AlSi10Mg çekme numunelerinin mekanik özellikleri çekme deneyleri yapılarak belirlenmiştir. Numuneler 12 x 12 mm ölçülerde kesilerek bakalite alınmış, zımparalama ve parlatma işlemlerinden sonra hem yan kesitleri hem de dik kesitleri optik mikroskopta incelenmiş mikroyapı ve eriyik havuzları ile ilgili detaylı gözlem yapılmıştır. Numunelerin kırık yüzeyleri hem stereo mikroskopta hem de taramalı elektron mikroskobunda (SEM) incelenmiştir. Ayrıca üretilen SLM AlSi10Mg numuneleri bilgisayarlı tomografi ile taranmış ve XCT verileri elde edildikten sonra, görüntü dosyaları Dragonfly yazılımına aktarılmış ve bu sayede kusurların nicel analizi yapılmıştır. Dragonfly yazılımına aktarılan 3B görüntülerde malzeme içindeki gözeneklilik oranları hesaplanmış ve oluşan gözeneklerin şekli ve boyutuna bakılarak gözenek türleri belirlenmiştir. Tarama hızı, tarama aralığı, lazer gücü ve yığma yönü parametreleri hem kendi içlerinde ayrı ayrı hem de hepsi bir arada değerlendirilmiştir. Çalışmada 1000 mm/s, 1200 mm/s, 1300 mm/s, 1400 mm/s tarama hızları; 170 µm, 150 µm, 130 µm, 110 µm tarama aralıkları; 370 W, 350 W, 330 W, 310 W lazer güçleri ve 0° (dikey), 35°, 45°, 90° (yatay) yığma yönleri olmak üzere farklı parametreler değerlendirilmiştir. Tüm numunelerde aynı katman kalınlığı (30 µm) kullanılmıştır. Bu parametreler kullanılarak L-PBF/SLM süreçlerinde birim hacme aktarılan enerji miktarını ifade eden hacimsel enerji yoğunluğu (Lazer gücü / (tarama hızı x tarama aralığı x katman kalınlığı)) (VED) hesaplanmış ve hacimsel enerji yoğunluğunun malzemenin gözeneklilik ve kusur oluşuma etkisi incelenmiştir. VED parametresinin gözenekliliği tahmin etmede büyük oranda etkili olduğu ancak parametre türüne göre farklılık gösterdiği bulunmuştur. Örneğin tarama hızının azalması ve tarama aralığının azalması VED'de artışa neden olurken tarama aralığı parametresindeki azalma gözenekliliği ve mukavemeti daha fazla etkilemiş, gözeneklilikte daha fazla artışa ve mukavemette daha fazla düşüşe neden olmuştur. Lazer gücünün azalması ise VED değerini düşürmüş ve bu durum da gözenekliliğin artışına ve mekanik özelliklerin kötüleşmesine neden olmuştur. VED değerindeki değişim numune eriyik havuzları boyutlarında da değişime neden olmuş ancak burada da aynı şekilde parametre önemli bir etken olmuştur. VED değerinin artması ve azalmasıyla gözeneklilikte artış meydana gelmiş ancak oluşan gözenek türleri farklılık göstermiştir ve en az gözenekliliğin oluştuğu VED değeri 60 J/mm3 olarak belirlenmiştir. VED'in artmasıyla birlikte eriyik havuzları anahtar deliği şeklinde dar ve uzun bir şekle sahip olmuş ve durum buharlaşan metal buharının eriyik havuzu dibinde hapsolmasına neden olarak anahtar deliği gözeneklerinin oluşmasına neden olmuştur. VED'in azalması ise metal tozunun yeteri kadar ergiyememesine ve dolayısıyla kaynaşamamasına neden olarak uzunlamasına ve karmaşık şekilli yetersiz ergime gözeneklerinin oluşmasına sebep olmuştur. Ayrıca düşük VED metal toz içerisinde atmosferden gelen gazların yetersiz ergime nedeniyle eriyik içinden kaçamamasına ve malzeme içinde kalmasına neden olur. Yüksek VED nedeniyle oluşan anahtar deliği poroziteleri özellikle en yüksek VED değerine sahip en düşük tarama hızı 1000 mm/s ile üretilen H1000 numunesinde ve en düşük tarama alığı 110 µm ile üretilen A110 numunesinde gözlemlenmiştir. Anahtar deliği poroziteleri kısmen daha küresel şekilli, özellikle eriyik havuzunun alt kısmında ve optik mikroskopta gözlemlenebilecek kadar büyüktür. Aynı şekilde yetersiz ergime gözenekleri ise düşük VED değerine sahip 1400 mm/s tarama hızıyla üretilmiş H1400 numunesinde optik mikroskopta görülmüş ve tomografi verileriyle doğrulanmıştır. En düşük lazer gücüyle üretilen ve dolayısıyla düşük VED değerine sahip G310 numunesinde ise yeterli boyutta eriyik havuzu oluşmadığı optik mikroskopta görülmüş ve kırık yüzey incelemelerindeki SEM görüntülerinde yetersiz ergimeye bağlı uzun şekilli ve karmaşık geometrili birçok yetersiz ergime gözeneği görülmüştür. Ayrıca 5 µm'den küçük tam küresel şekilli gaz porozitelerine rastlanmıştır. Numunelerin kırık yüzeyleri stereo mikroskopta incelendiğinde mikro boyutta Si partikülleri olduğu görülmüş ve bu Si partiküllerinin yoğunluğu ve boyutunun VED değeriyle doğru orantılı olarak artıp azaldığı tespit edilmiştir. En çok Si partikülü VED'in en yüksek olduğu H1000 ve A110 numunelerinin kırık yüzeylerinde gözlemlenmiş, G310 ve yatay olarak üretilen Y90 numunelerinde ise neredeyse Si partikülü gözlemlenmemiştir. Aynı şekilde gözeneklerin fazla olduğu numunelerde mekanik özellikler kötüleşmiş, en düşük akma dayanımı A110 numunesinde 152 MPa, en düşük çekme dayanımı ise G310 numunesinde 290 MPa olarak meydana gelmiştir. En düşük kopma uzaması ise 35° yığma yönüyle imal edilen Y35 numunesinde meydana gelmiştir. Tüm çıktılar bir arada değerlendirilerek en iyi mekanik özellik gösteren ve en düşük gözenekliliğe sahip numunenin üretildiği parametreler 1200 mm/s tarama hızı, 170 µm tarama aralığı, 370 W lazer gücü ve dikey yığma yönü optimum parametre olarak seçilmiştir. Optimum parametrelerle üretilen OP numunesi 214 MPa akma dayanımına, 330 MPa çekme dayanımına ve %10,13 kopma uzamasına sahiptir.

Özet (Çeviri)

Additive Manufacturing (AM), which has become widespread with Industry 4.0, is an advanced manufacturing method that enables the production of objects by adding material layer by layer. In this way, the prototyping process is accelerated, and savings in both time and raw materials are achieved in the production of parts with complex geometries. Additive manufacturing provides significant advantages compared to traditional manufacturing methods in the production of customized and diverse products for each consumer. The waste material occurring in subtractive manufacturing methods does not arise in this production method. Furthermore, in additive manufacturing, the product does not undergo long and multi-stage processes as in the casting methods used for producing complex-shaped geometries. High-cost molds required for each part with different geometries in casting methods are not needed, which similarly allows for savings in material and time. Additive manufacturing is divided into seven different sub-manufacturing methods. Almost every type of material can be produced using different methods of additive manufacturing. In additive manufacturing, there are numerous process parameters depending on the specific sub-technology employed. In this thesis study, among the seven additive manufacturing methods, the“Powder Bed Fusion (PBF)”technique and its subtype“Laser Powder Bed Fusion (L-PBF),”which uses a laser as the energy source, were utilized. A further branch of this technique, specifically developed for the production of metallic materials, is“Selective Laser Melting (SLM),”which was used in this work. In SLM, the laser beam selectively melts only the relevant regions of a thin layer of metal powder spread across the powder bed, based on the cross-sectional data extracted from the CAD model. After the layer is melted, the build platform (powder bed) is lowered by the predetermined layer thickness. A new layer of powder is spread from the powder supply hopper with the help of a roller, and the laser source melts this layer in the same manner. This process is repeated many times to produce the final three-dimensional part. In the SLM process, numerous parameters—such as laser power, scanning speed, laser beam diameter, layer thickness, hatch spacing, scanning strategy, powder morphology and size distribution, preheating temperature, atmosphere, and powder spreading speed—directly affect the quality of the manufactured products. In this thesis study, tensile specimens were produced from AlSi10Mg alloy powder using the SLM technique under different parameters. The parameters examined were scanning speed, hatch spacing, laser power, and build orientation, which are among the various manufacturing parameters mentioned above. The effects of these parameters on the AlSi10Mg tensile specimens were investigated. The mechanical properties of the manufactured AlSi10Mg tensile specimens were determined by conducting tensile tests. The specimens were sectioned into 12 × 12 mm pieces and mounted in bakelite; after grinding and polishing, both their longitudinal and transverse sections were examined under an optical microscope, and detailed observations related to microstructure and melt pools were made. The fracture surfaces of the specimens were examined using both a stereo microscope and a scanning electron microscope (SEM). In addition, the produced SLM AlSi10Mg specimens were scanned by computed tomography, and after obtaining the XCT data, the image files were transferred to Dragonfly software, enabling quantitative analysis of defects. In the 3D images transferred to Dragonfly, the porosity ratios within the material were calculated, and the types of pores were identified by examining the shape and size of the detected pores. The parameters of scanning speed, hatch spacing, laser power, and build orientation were evaluated both individually and collectively. In the study, different parameters were examined, including scanning speeds of 1000 mm/s, 1200 mm/s, 1300 mm/s, and 1400 mm/s; hatch spacings of 170 µm, 150 µm, 130 µm, and 110 µm; laser powers of 370 W, 350 W, 330 W, and 310 W; and build orientations of 0° (vertical), 35°, 45°, and 90° (horizontal). The same layer thickness (30 µm) was used for all specimens. Using these parameters, the volumetric energy density (VED), which represents the amount of energy transferred per unit volume in L-PBF/SLM processes (Laser power/(scanning speed × hatch spacing × layer thickness)), was calculated, and the effect of volumetric energy density on porosity and defect formation in the material was investigated. It was found that the VED parameter is highly effective in predicting porosity, although it varies depending on the type of parameter. For example, while a decrease in scanning speed and a decrease in hatch spacing lead to an increase in VED, the decrease in hatch spacing affected porosity and strength to a greater extent, causing a larger increase in porosity and a greater decrease in strength. A reduction in laser power decreased the VED value, which resulted in an increase in porosity and a deterioration in mechanical properties. Changes in the VED value also caused variations in the melt pool dimensions of the specimens, although the parameter type again played a significant role in this behavior. With both increases and decreases in the VED value, porosity increased; however, the types of pores formed differed. The VED value at which the lowest porosity was observed was determined to be 60 J/mm³. With an increase in VED, the melt pools acquired a narrow and elongated keyhole-like shape, and this situation caused metal vapor trapped at the bottom of the melt pool to lead to the formation of keyhole pores. A decrease in VED, on the other hand, caused insufficient melting and, therefore, a lack of fusion, resulting in the formation of elongated and irregularly shaped lack-of-fusion pores. Additionally, low VED prevents gas originating from the atmosphere within the metal powder from escaping the melt due to insufficient melting, causing it to remain trapped within the material. Keyhole porosity caused by high VED was observed particularly in the H1000 specimen produced at 1000 mm/s, which had the highest VED value, and in the A110 specimen produced with a hatch spacing of 110 µm. Keyhole pores are relatively more spherical, located especially at the lower part of the melt pool, and are large enough to be observed under an optical microscope. Similarly, lack-of-fusion pores were observed in the H1400 specimen produced at a scanning speed of 1400 mm/s, which had a low VED value, and this was confirmed by tomography data. In the G310 specimen produced with the lowest laser power and therefore having a low VED value, insufficient melt pool formation was observed under an optical microscope, and SEM images of the fracture surfaces revealed numerous elongated and complex-shaped lack-of-fusion pores caused by insufficient melting. Additionally, fully spherical gas pores smaller than 5 µm were detected. When the fracture surfaces of the specimens were examined under a stereo microscope, micro-sized Si particles were observed, and it was determined that the density and size of these Si particles increased or decreased proportionally with the VED value. The highest amount of Si particles was observed on the fracture surfaces of the H1000 and A110 specimens, which had the highest VED values, while almost no Si particles were observed in the G310 specimen and in the Y90 specimen produced in the horizontal build orientation. Similarly, in the specimens with higher porosity, the mechanical properties deteriorated; the lowest yield strength occurred in the A110 specimen, and the lowest tensile strength occurred in the G310 specimen. The lowest elongation at fracture was observed in the Y35 specimen produced with a 35° build orientation. By evaluating all outputs together, the parameters that produced the specimen with the best mechanical properties and the lowest porosity were selected as the optimum parameters: a scanning speed of 1200 mm/s, a hatch spacing of 170 µm, a laser power of 370 W, and a vertical build orientation.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    1001287

    Verification of a finite element model for an additively manufactured aluminium-alloy bracket for leo spacecraft via correlation of vibration test and simulation results

    Alçak dünya yörüngesi uzay araçları için eklemeli imalatla üretilmiş bir alüminyum alaşımlı braketin sonlu eleman modelinin, titreşim test sonuçları ile simülasyon sonuçlarının korelasyonu yoluyla doğrulanması

    MELİSSA BEYAZ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2026

    Makine MühendisliğiAnkara Yıldırım Beyazıt Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ METE BAKIR

  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

    854995

    Experimental study on improvement of pool boiling cooling systems in dielectric liquid using honeycomb structures manufactured by additive manufacturing

    Dielektrik sıvıda eklemeli imalat yöntemiyle üretilen petek yapılar kullanılarak havuz kaynatma soğutma sistemlerinin iyileştirilmesi üzerine deneysel çalışma

    MUHAMMED ÇAĞLAR MALYEMEZ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Makine MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. HÜSNÜ DAL

    PROF. DR. İSKENDER GÖKALP

  4. Tez No

    1011998

    Eklemeli imalat ile geliştirilen metamalzemelerin radar soğurma özelliğinin iyileştirilmesi

    Improvement of radar absorption properties of metamaterials developed by additive manufacturing

    ERKUT MÜVEZZİN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2026

    Makine MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MİHRİGÜL EKŞİ ALTAN

  5. Tez No

    672970

    Seçici lazer sinterleme ile üretilen desteksiz yapıların geometrik özelliklerinin incelenmesi

    Investigation of the geometric properties of unsupported structures produced by selective laser sintering

    MEVLANA CELALETTİN KAPLAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    Makine MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MİRİGÜL ALTAN

Geri Dön