Yüksek dayanımlı çeliğin 3 boyutlu yazıcı ile imalatının sayısal analizi

Eklemeli İmalat (Eİ) kullanımı, yakın zamanda Avrupa ve yakın çevresinde bulunan büyük şirketlerin çoğu tarafından genişletilmiştir. Artık karmaşık metalik geometrilerin üretilmesi mümkün ve proses sadece prototiplerle sınırlı değildir. Eklemeli imalat günümüzde otomotiv, havacılık ve uzay endüstrisi, enerji sektörü, tıbbi cihazlar ve alet ile işleme gibi imalat şirketlerinin çoğunda çok yaygınlaşmıştır. Herhangi bir ürün herhangi bir montaj gerekmeden veya bazen 1 geçişte minimum montajla inşa edilebileceği için avantaj oluşturmaktadır. Eklemeli imalatta, bir ince toz tabakası lazer veya elektron ışını kullanımıyla eritilir ve birleştirilir. Daha sonra başka bir toz tabakası oluşturulur ve önceki tabaka üzerinde titizlikle eritilir. İşlem, inşa edilen parçanın istenen yüksekliğini elde etmek için defalarca tekrarlanır. Eİ, kullanılan güç kaynağına ve toz uygulama işlemine bağlı olarak EBM, LBM, DED ve 3B baskı dahil birçok türde olabilir. EÜ prosedürü basit bir 3 boyutlu CAD dosyasından başlar. Bu dosya daha sonra, eklemeli imalat makinesi için uyumlu bir başka formata dönüştürülür. Bu format STL dosyasıdır. STL dosyası, CAD modelini farklı boyutlarda küçük üçgenlere ayırır ve konumlarının yanı sıra parçaların iç ve dış kısımlarını da depolar. STL dosyasında saklanan bilgilere göre, model eşit yükseklikte küçük dilimlere bölünür. Parça geometrisi bir dilim ile sabittir. Dilimlenmiş veri, daha sonra parça üretimi için eklemeli imalat sistemine aktarılır. Selektif lazer eritme işleminde, lazerin gücü seçici olarak metali eritir ve bu sıvı eriyik havuzu oluşturur. Lazer o bölgeden geçerken eriyik havuzu aniden katılaşır. Ardışık parçalar tarafından tozların erimesi bir tabaka oluşturur. Bu katmanlar birlikte CAD modelinin verilerine göre katı geometriyi oluşturmak için üst üste birleştirilir. Bitişik tabaka ve parçaların güçlü bir şekilde tutturulması için önceki tabakanın kısmi yeniden eritilmesi ve tarama izinin örtüşmesi yapılır. Bu aynı zamanda, gerekli izotropi derecelerinde daha yüksek bir yoğunlaşma ve tek tip özelliklere yol açmaktadır. Bu alanda çoğunlukla kullanılan malzemelerden bazıları AlSi10Mg, Ti6Al4V, paslanmaz çelik ve yüksek dayanımlı çeliktir. Bunlardan en yaygın olanı AlSi10Mg'dir. Bu popülerliğin ardındaki sebep onun düşük ağırlığının yüksek mukavemet ve kırılma tokluğu ile birleştirilmesidir. Başlıca uygulama alanı otomotiv ve havacılık mühendisliğidir. AlSi10Mg, Ti6Al4V vb. ile ilgili birçok araştırma yapılmıştır. Maryaşlandırma alanı hala keşfedilmemiş halde iken. Bu, Eİ'de analiz için yüksek dayanımlı çeliğin seçilmesinin nedenidir. Bu tezin amacı, bazı yaygın güç, hız, spot büyüklüğü, penetrasyon derinliği vb. parametreleri dikkate alarak eriyik havuzu şeklini ve boyutunu analiz etmektir. SLM'de soğutma oranı, ani katılaşma yüksek dayanımlı çelikte iğne martensit oluşumunu kısıtladığı için hızlıdır. Titanyum ve alüminyum birleşik oksitlerin (Ti02: A1203) daha büyük kalıntıları, 10 ila 20 µm boyutlarında mevcuttur. Bunlar yaşlı koşullarda mekanik özelliklerin düşürülmesinden sorumludur. Yapısal olarak paslanmaz çelik parça, sünek, düşük karbonlu bir hacim merkezli kübiktir ve martensitik bir yapıya sahiptir. Nispeten daha iyi dayanım ve sertliğe sahip yüksek dayanımlı çelik yaşlandırma sertleşmesi ve yaşlandırma ile elde edilir. Yaşlanma işlemi nikel bakımından zengin metaller arası çökeltileri düzgün bir şekilde dağıtır. Bu çökeltiler martensitik yapının güçlendirilmesinin arkasındaki nedendir. Ve bu çökeltiler aynı zamanda martensitin ostenit ve ferrite geri çevrilmesini de sınırlar. Katılaşma sırasında uzun taneler eriyik havuzunun merkezine doğru büyür. Epitaksiyel büyüme sadece erime havuzunun merkezi gibi bazı yerlerde görülür. Merkezden uzakta küçük çekirdekli taneler oluşur. Erime havuzunun merkezine doğru birkaç tane parçacık ulaşabilir . Eş eksenli taneler, erime havuzunun tepesinde oluşur. Bir sonraki tarama katmanı, daha önce katılaştırılmış katmanı tekrar eritir ve bu da, eşeksenli tanelerin erime havuzunun üstünden kaybolmasına neden olur. Bu, sadece son eriyik havuzunun üst katmanında değişmeden kalan parçacıklara neden olur . Bu aşamada eklemeli imalatın performansını etkileyen, tarama hızının artması ile artan ve maximum değere ulaşan yoğunluk gibi çeşitli faktörler söz konusudur. Maksimum yoğunluk noktası farklı tarama hızlarına göre değişir. Tarama hızına karşı yoğunluk, parabolik bir değişim gösterir. Daha yüksek lazer gücü için, düşük tarama hızında minimum düşük yüzey pürüzlülüğüne ulaşır. Erime havuzu sabit kalırsa, yüzey yoğunluğu artan enerji yoğunluğu ile artar. Genellikle, lazer farklı tarama stratejileri ile uygulanır. Yüzey pürüzlülüğü, gözeneklilik seviyesi, mikro yapı ve ısı birikimi temel olarak tarama stratejisine bağlıdır. Farklı tarama stratejileri tek yönlü tarama, çift yönlü tarama, 2 kat arasında tarama yönünün döndürülmesi, tarama alanını ada taraması olarak adlandırılan küçük adalara bölmektir. Oksijen erimiş metal ile yüksek sıcaklıkta reaksiyona girer ve metal oksit oluşturur. Metal oksit, üst ve alt kısımdaki sürekli erime nedeniyle esas olarak kenarlarda bulunur. Katkı maddesi imalatındaki metal oksitlerin çoğu, kırılmaları zor olduğu Alüminyum'da bulunur. Oksijen ve oksit oluşumunun sıkışmasını önlemek için, oksit tabakasını önceki katman üzerinde eritecek yüksek sıcaklıkta ısı kullanılması tavsiye edilir. Daha iyi tarama stratejileri ve tarama parametresi, Argon gibi soygaz kullanımı, oksit oluşumunu önemli ölçüde kontrol edebilmektedir. Birim uzunluktaki P / v başına düşen enerji arttırılarak erimiş havuz hacmi daha fazla büyür ve viskozite düşer. P / v azalırken geri tepme basıncı belirginleşir ve tarama izlerini bozar. Verilen tarama hızı enerjisini daha fazla arttırmak suretiyle tozu tamamen eritmek ve ilk katmanı kısmen eritmek için yeterli değildir. Bu, kararsızlık ve damlacıkların oluşumu ile sonuçlanır. Tarama hızı arttıkça göreceli yoğunluk azalır. Bu azalma düşük tarama hızında önemli olmamasına ragmen yğunluktaki bu azalmanın nedeni, birim alan başına sağlanan enerjinin lazer tarafından azaltılmasıdır. Çeşitli analizler, katman kalınlığının 30 um ila 40 um arasında arttırılması, yoğunluğun çok az azalırken tarama süresinde % 25 azalma oluştuğunu göstermektedir. Tarama hızını çok düşürerek, tamamlanmamış erime nedeniyle yoğunluk azalır. Bu tez çalışmasının temel amacı, maraging çeliği kullanılarak eklemeli imalatla elde edilen parçalarda ergimiş havuzun modellenmesi, sıcaklık profili tahmini, maksimum sıcaklık ve ergimiş havuzun derinliğinin tahminidir. ANSYS analiz yazılımının APDL kısmı kullanılarak çalışma ve simülasyon yapılmıştır. Analize başlamadan önce elastisite modülü, young modülü, yoğunluk, başlangıç sıcaklığı, ısıl iletkenlik, özgül ısı, ısıl genleşme katsayısı vb. gibi özellikler, kullanıcı arayüzü veya ANSYS kodları kullanılarak yazılıma girilir. Girdi verilerine dayanarak, problem çözülmekte ve sonuçları görüntülemek, gerekli grafikleri çizmek için daha sonraki işlemler yapılmaktadır. Bu çalışmada PLANE55 ve SOLID70 olmak üzere iki tip malzeme seçilmiştir. PLANE55 sürekli hal ya da geçici ısıl analiz ve her bir düğümünde tek bir serbestlik derecesi için tasarlanmıştır. Bu analizler aynı şekilde SOLID70 (Şekil 9.2) için, 3D olarak uygulanmıştır. Bu analizin yapılması için model olarak küçük kübik bir şekil seçilmiştir. Modelin boyutları x = -0.6e-3 mm, y = 1.25e-3 mm, z = -0.8e-3 mm olarak seçilmiştir. Analizi ANSYS programında yapabilmek için modeli daha küçük parçalara bölmemiz gerekir. Daha küçük parçalarla analiz yapılmasının temel sebebi analizin daha verimli, doğru ve mikro ölçekte yapılabilmesidir. Gövdeye uygulanan yük tüm parçalara dağıtılarak her parça için analiz yapılmıştır. Problemin çözümünde doğruluk ve hız parçalamaya bağlıdır. Bu analizde multizon metodu kullanılmıştır. Bu metot verilen sekli küçük küplere ayırarak uygulanır. Küçük parçalar analiz için daha fazla süre gerektirir. Zaman tüketimini azaltmak için çalışmamızı çok ilgilendirmeyen yerlerde büyük parçalar kullanılırken çalışacağımız bölgede küçük parçalar kullanıldı. En fazla 39401 nokta oluşurken 36818 parça oluşmuştur. Analiz yalnızca 3 katman için yapılmıştır çünkü daha fazla katman ile analiz yapılması çok fazla zaman harcanmasına sebep olacaktır. Bu durumda 80, 100, 120 W güç girdisi değerleri, 400, 600, 800, 1000 mm/s tarama hızları icin seçilmiştir. Bir katmanın kalınlığı 30 µm'dir. Gönderilen lazer ilk birkaç katmana nüfuz edebilmiştir. Toz tabakası üzerine lazer geldiğinde, daha önce oluşturulmuş tabakanın yanı sıra toza belirli bir derinliğe kadar nüfuz eder. Bunun sonucunda daha önceden oluşmuş toz katmanı tekrar erir ve yaklaşık 3 katman kalınlığında eriyik havuz oluşur. Bu sebeple bu çalışmada nüfuziyet derinliği 100 µm olarak alınmıştır. Lazer çapı 100 µm olarak alınmıştır. Yüksek dayanımlı çeliğin özellikleri sabit olup sıcaklıkla değişmez olarak kabul edilmiştir. Analiz sırasında sıcaklığa bağlı değişen özellikler dikkate alınmıştır. Eriyik havuzunun şekil, boyut ve sıcaklık dağılımı Şekil 9.10 ila 9.15 arasında gösterilmiştir. Analizin yapılması çok fazla zaman harcanmasına sebep olacağı için yalnızca 3 katman için yapılmıştır. Sıcaklık ve eriyik havuz davranışı; 3 katman ile güç ve hız kombinasyonu için simüle edilir. Tablo 9.12, elde edilen sıcaklığı ve güç hız kombinasyonuna dayanan eriyik havuz derinliğinin simulasyon sonucunu gösterir. Eriyik havuz derinliğinin yanı sıra katmanlara karşı sıcaklığın sonuçları çizilmektedir. Şekil 9.10 ile Şekil 9.12, sıcaklık davranışını gösterir. Şekil 9.13 ile şekil 9.15 e kadar olan şekiller ise eriyik havuz derinliğinin davranışını gösterir. Daha fazla katman eklenerek sıcaklık ve eriyik havuz derinliğinin arttığı saptanmıştır. Ayrıca bunların her ikisi de hızın artmasıyla azaldığı belirlenmiştir. Bunun nedeni, diğer parametreleri sabit tutarken hızı artırarak mevcut birim hacim başına enerji değerindeki düşüş olabilir.