Eklemeli imalat yöntemi için topoloji optimizasyonu kullanılarak yapısal bir motor parçasının hafifletişlmiş tasarımı

Havacılık ve otomotiv endüstrisi araç ve aktarma organları tasarımında hafifletilmiş tasarım gün geçtikçe daha da önem kazanmaktadır. Şimdiye kadar her iki endüstride de önemli ilerlemeler kaydedilmiş olsa da bazı yenilikçi tasarımlar üretim kısıtlamaları nedeniyle yapılmamaktaydı. Eklemeleri imalat yöntemlerindeki yeni teknolojiler sayesinde ürün tasarımı, geliştirilmesi ve lojistiğine ait yöntemler değişim geçirmektedir. Eklemeli imalat malzemeleri ve yenilikçi tasarım yöntemlerindeki güncel gelişmeler bu teknoloji entegrasyonunun birçok endüstriye uyarlanabilir kılmakatadır. Yaratıcı tasarımın en önemli araçlarından biri uzun yıllardır ürün optimizasyonunda kullanılmakta olan topoloji optimizasyondur. Buna rağmen kalıp çıkma yönü, kalıp çıkma açısı ve eşit et kalınlığı gibi birçok kısıtlama olmaktaydı. Eklemeli imalat yöntemi sayesinde, topoloji optimizasyonu sonuçları mümkün olduğunca direk olarak tasarıma yansıtılabilmektedir. Eklemeli imalatın en büyük avantajlarından birisi tasarım özgürlüğüdür. Hem tasarımcı hem de imalatçı için bu özgürlük aşikardır. Tasarımcılar çok geniş bir yelpazede tasarımlarını yaratabiliyorken imalatçılar da karmaşık geometrileri dahil geleneksel üretim yöntemlerinden daha kolay şekilde üretebilmektedirler. Her ne kadar tasarım uygulaması geleneksel yöntemlere göre daha kolay olsa da tasarım doğrulaması yapılmalı ve parça/sistem seviyesinde uygulanmak zorundadır. Doğrulama metotları geleneksel yöntemlere kıyasla neredeyse aynıdır. Doğrulama yöntemi olarak modal analiz ve yapısal gerilme analizi uygulanmaktadır. Literatür araştırmasında topoloji optimizasyonu ve eklemeli imalatla entegrasyonu üzerinde durulmuştur. İlk örnekte bir otomotiv aktarma organı braketinin geleneksel üretim yöntemlerine göre topoloji optimizasyonu çalışması incelenmiştir. Bu örneklerde değişebilir ve değişemez bölge tanımı, modal değerlendirme ve ağırlık azaltma çalışmaları gösterilmişir. Şimdiye kadarki otomotiv ve havacılık uygulamalarında yoğun olarak kullanılmıştır. Başka bir örnekte havacılıkta kullanılan bir mafsal braketi üretim yöntemi değişitirilerek bir yeniden tasarım örneği olarak sergilenmiştir. Malzeme değişimi ve tasarım güncellemesi katkısıyla oldukça belirgin bir ağırlık azaltması elde edilmiştir. Son örnekte topoloji optimizayonunu geleneksel tasarımlara uyarlarken kulanılabilecek farklı eklemeli imalat tasarım yaklaşımları sunulmuştur. Direk entegrasyon, kısmi entegrasyon ve CAD modelin yeniden modellenmesi gibi yaklaşımlar mümkün olmaktadır. Kısmi entegrasyonun en önemli avantajı ürün hayat döngüsü süresince güncellenebilir bir CAD modele olanak sağlamasıdır. İkinci kısımda topoloji optimizayonu teorisi ve metotları kısaca anlatılmıştır. Yapısal optimizasyonda her ne kadar boyut, şekil ve topoloji optimizasyonu kullanılsa da bu tezde sadece topoloji optimizasyonu bir optmizasyon metodu olarak kullanılmıştır. Aynı zamanda yoğunluk ve homojeneştirme metodlarına da değinilmektedir. Üçüncü kısımda eklemeli imalat tarihçesi, tanımı, teknolojileri,malzemeleri ve boyutsal hassasiyetleri açıklanmıştır. Tüm endüstrilerde eklemeli imalat kabiliyetlerinin net anlaşılması başarılı bir tasarım için oldukça kritik öneme sahiptir. Başarılı bir hafifletme çalışması ve daha az tasarım ötelemesi için eklemeli imalat teknolojisi çok iyi bilinmelidir. Tasarım dönüşümü ve güncellenmiş tasarımın sanal doğrulaması için etkin yazılım kullanımı da oldukça önem kazanmaktadır. Güncel tasarım programı her ne kadar daha kolay kullanıma sahip olsalar da büyük ölçekli firmalar daha geleneksel yazılım araçları kullandıklarından dolayı program kullanma kabiliyeti hala büyük öneme sahipir. Gelecek yıllarda yeni programlar çok daha kullanıcı dostu olacağından dolayı tüm işlemler tek bir program üzerinden yürütülebilecektir. Halihazırda benzer örnekler olmasına rağmen kitlesel bazda kullanılcak platformlar henüz yeterince yaygınlığa ulaşamamış durumdadır. Tasarım uzayı Catia V5'de oluşturulmuş olup parça meşlemesi Hypermesh'de yapılmıştır. Bu aşamadan sonra input dosyası Abaqus programına aktarılarak modal ve gerilme analizleri için sonlu elemanlar modeli oluşturulmuştur. Analiz dosyalarının abaqus çözücüsünde çözdürülmesinin ardından sonuç göselleştirmeleri Hyperview programında yapılmıştır. Hyperview özellikle görselleştirme yazılımı olarak oldukça etkin bir program olup birçok sonlu elemenlar çözümünün incelenmesi bu program vasıtasıyla yapılmaktadır. Bu çalışmalarla tasarım uzayının mevcut durumu incelenmiş olup dökme demir malzeme kullanıldığında 226 Hz'lik ilk titreşim modu ve 122 Mpa'lık Von-Mises gerilmesi hsaplanmıştır. Bu değerler hedef değerlerden oldukça yüksek olduğundan tasarım uzayının ağırlık azatmaya elverişli olduğuna karar verilmiş ve topoloji optmizasyonuna başlanılmıştır. Optimizasyon programı olarak Abaqus'le uyumlu olan Tosca yazılımı kullanılmıştır. Tosca programının TO kabiliyeti uluslarası kabul görmüş olup bu çalışmada güvenle kullanılabilmektedir. Optimizasyon, gerilme enerjisini minimize etme (Rijitliği maksimize etme) ve ilk rezonans frekans değerini maksimize etme üzerine kurulmuştur. Her iki optimizasyondan çıkan geometriler Tosca'da yumuşatılıp .igs formatına çevrildikten sonra Catia V5 ortamında aynı montaj dosyası altına atılarak karşılaştırılmış ve ortak geometrilerin korunmasına özellikle dikkat edilmiştir. Elde edilen sonuçlara göre gerilme enerjisi optimizasyonunun ilk rezonans frekans optimizasyon sonuçlarını büyük oranda kapsadığı gözlemlenmiştir. Tasarım güncellemesine gerilme enerjisi optimizasonu referens alınarak devam edilmiştir. 3D model Catia'da katı modelleme ve yüzey modelleme arayüzleri kullanılarak geliştirilmiş olup ilk iterasyon modeli henüz kenar ve köşe yumuşatmaları yapılmadan frekans analizine gönderilmiştir. Amaç hedef frekansa ne ölçüde yaklaşıldığını hızlıca anlayıp farklı malzeme kullanımında hangisiyle devam edileceğine karar vermektir. İlk sonuçlara göre paslanmaz çelik malzemesinde 231 Hz ve aluminyum temelli malzemeyle 167 Hz'lik ilk rezonans freansı yakalanmıştır. Bu sonuçlarla hafif tasarıma daha fazla olanak sağlayabilecek olan Aluminyum malzemeyle ilerlemeye karar verilmiştir. Hedef değere olan 170 Hz'e ulaşmak için alınan tasarım aksiyonlarının ardından ikinci tasarım modeli oluşturulmuştur. Yeni modelin ilk rezonans frekans değeri 173 Hz'e yükseltilmiş olup Von-mises gerilme değeri maksimum 172 MPa olarak gözlemlenmiştir. Açıkça gözükmektedir ki ikinci model modal ve dayanımsal olarak kabul edilebilir düzeydedir. Özellikle 172 MPa'lık maksimum gerilme değerinin 250 MPa'lık yorulma dayanımı değerininn altında olması bu parçanın herhangi bir yorulma dayanımı problemi yaşamayacağını göstermektedir. Son model geleneksel tasarım yöntemlerinin yteneklerine göre oldukça karmaşık bir yapıya sahiptir. Parçanın üretimi geleneksel yöntemlerle oldukça zor olup çok özel maçalama teknikleri ile mümkün olabilmektedir. Halbuki eklemeli imalat yöntemi parçayı tamamen katman katman oluşturmaktadır ve bunun gibi karmaşık geometrileri rahatlıkla oluşturabilmektedir. Aluminyum temelli olan Scalmalloy malzemesi eklemeli imalat endüstrisinde rahatlıkla bulunulabildiğinden dolayı parçanın üretilebiliği bir o kadar rahatlamaktadır.