Katmanlı imalat ile üretilen parçaların dinamik modellerinin doğrulanması

Katmanlı imalat teknolojileri son yıllarda özellikle metal malzemelerde oldukça popüler bir çalışma alanı haline gelmiştir. Medikal sektöründen havacılığa kadar birçok sektörde firmalar bu alana yatırımlar yapmaktadır. Katmanlı imalat ile üretilen parçaların konvansiyonel yöntemlerle üretilen parçaların yerine kullanılabilirliği birçok yönden çalışılmaktadır. Bu noktada malzeme özelliklerinin elde edilmesi büyük önem taşımaktadır. Böylece halihazırda döküm, dövme gibi konvansiyonel imalat yöntemleri için var olan ve parça için gerekliliklerin yer aldığı standartların katmanlı imalat prosesi için de elde edilebilmesi mümkün hale gelecektir. Malzeme özelliklerinin elde edilebilmesi adına oda sıcaklığı ve yüksek sıcaklık çekme testlerinin yanı sıra sürünme, düşük çevrimli yorulma ve yüksek çevrimli yorulma gibi malzemenin dinamik özellikleri hakkında bilgi veren maliyetli ve uzun süren testlerin de gerçekleştirilmesi gerekmektedir. Bu da ham malzeme, işçilik ve zaman maliyetlerine sebep olmaktadır. Bu bağlamda, titreşim testleri, parçaların dinamik modellerinin oluşturulması için uygun bir yöntem olarak değerlendirilmektedir. Parçanın deneysel verileri kullanılarak oluşturulan matematiksel modeli, teorik modellerin doğruluğunun kontrol edilmesi ve bu modellerin güncellenmesi için kullanılabilecektir. Bu tez kapsamında, ilk önce metal malzemeler için katmanlı imalat yöntemleri hakkında genel bilgi verilmiş ve bir toz yatağı katmanlı imalat prosesi olan lazerle metal tozu ergitme teknolojisi hakkında detaylı bilgi sunulmuştur. Sonrasında problem verilmiştir ve konvansiyonel ve katmanlı imalat ile üretilen yapıların malzeme özellikleri konusunda detaylı literatür araştırması yapılmıştır. Son olarak, tezin amacı ve alanı hakkında bilgi verilmiştir. İkinci bölümde, titreşim testleriyle ilgili olarak doğruluğun artırılması, modal parametrelerin elde edilmesi ve karşılaştırma ve korelasyon konularında teorik bilgiler verilmiştir. Doğruluğun artırılması amacıyla ortalama alma, frekans örtüşmesi, spektral sızma ve koherans gibi farklı metotlar tanıtılmıştır. Modal parametrelerin elde edilebilmesi amacıyla tepe noktası seçme, çember uydurma ve çizgi uydurma gibi yöntemler hakkında bilgi verilmiştir. Bu tezde yapıların sönüm seviyelerini elde edebilmek amacıyla ICATS yazılımı MODENT modülünün yardımıyla çember uydurma metodu kullanılmıştır. Üçüncü bölümde, sonlu elemanlar modellerine girdi olabilmesi amacıyla malzeme özellikleri çıkarılmıştır. Bu kapsamda, ilk olarak darbeyle uyarma test metoduna uygun olarak katmanlı imalat ve konvansiyonel metotlarla numune üretimleri gerçekleştirilmiştir. Bu numuneler darbeyle uyarma test metoduna göre test edilmiş ve elastik modülü ve kesme modülü değerleri elde edilmiştir. Elastik modülü ve kesme modülü verileri kullanılarak Poisson oranı hesaplanmıştır. Ayrıca, Arşimet metodu kullanılarak numunelerin yoğunluk değerleri elde edilmiştir. Elde edilen bu veriler konvansiyonel ve katmanlı imalat yapılarına ait sonlu elemanlar analizine malzeme verisi olarak girilmiştir. Dördüncü bölümde, konvansiyonel yöntemler ve katmanlı imalat yöntemleriyle üretilen yapıların sonlu elemanlar analiz sonuçları verilmiştir. İlk olarak, titreşim testi geometrisine karar verilmiştir. Bu amaçla, yapının ilk 6 elastik modu 4000 Hz altında kalacak ve farklı düzlemlerde mod şekilleri elde edilebilecek 10 mm x 25 mm x 300 mm boyutlarında bir geometri seçilmiştir ve sonlu elemanlar yazılımı olarak kullanılan ABAQUS içerisinde tanımlanmıştır. Analizler koşturularak konvansiyonel ve katmanlı imalat yapılarına ait doğal frekans ve mod şekilleri sonuçları elde edilmiştir. Beşinci bölümde, ilk olarak katmanlı imalat ile üretilecek yapıların proses parametreleri belirlenmiştir. Bu amaçla, konvansiyonel yapı ile aynı yoğunlukta (yüksek yoğunlukta) ve düşük yoğunlukta olmak üzere 2 farklı yapının üretilmesine karar verilmiştir. Yapılan deney tasarımı ile yüksek yoğunluk ve düşük yoğunluk verecek parametre setleri belirlenmiştir. Kullanılan parametreler, volümetrik enerji yoğunluğu denkleminde de yer alan lazer gücü, lazer hızı, tarama mesafesi ve katman kalınlığı parametreleridir. Sonuç olarak volümetrik enerji yoğunluğu değerleri sırasıyla 67.5 J/mm3 ve 16.3 J/mm3 olan yüksek yoğunluk ve düşük yoğunluk yapıları EOS M290 lazerle metal tozu ergitme tezgahında üretilmiştir. Titreşim testi gerçekleştirebilmek için deneysel kurulum yapılmış ve 3 yapı için de hem mikrofon hem de ivmeölçer kullanarak titreşim testleri gerçekleştirilmiştir. Konvansiyonel ve katmanlı imalat yapıları için doğal frekans ve sönüm seviyeleri elde edilmiştir. Doğal frekans değerleri mikrofon ölçümlerinden Siemens LMS Test.Lab yazılımı kullanılarak, sönüm seviyeleri ise ivmeölçer ölçümlerinden ICATS yazılımı MODENT modülü kullanılarak elde edilmiştir. Altıncı bölümde, titreşim testlerinden ve sonlu elemanlar analizlerinden elde edilen sonuçlar karşılaştırılmıştır. Konvansiyonel yapıya ait sonlu elemanlar modeli doğrulanmıştır. Katmanlı imalat parçalarına ait deneysel doğal frekans sonuçları kullanılarak sonlu elemanlar modelleri güncellenmiştir. Bu amaçla, yoğunluk değeriyle birlikte tahmini elastik modülü ve Poisson oranı değerleri sonlu elemanlar analizine girilmiştir. Elastik modülü ve Poisson oranı kademeli olarak azaltılarak deneysel doğal frekans değerlerini verecek şekilde güncellenmiştir. Son bölümde, elde edilen sonuçlar özetlenmiş ve gelecek çalışmalar için yorumlamalarda bulunulmuştur. Yüksek yoğunluk katmanlı imalat parçası ve konvansiyonel metotla üretilen parçanın doğal frekans değerleri arasında maksimum % 2.763'lük fark olduğu sonucuna ulaşılmıştır. Sönüm seviyelerini belirten kayıp faktörü sonuçlarıyla, katmanlı imalat ile üretilen parçalarla konvansiyonel yöntemlerle üretilen parçalara benzer veya daha yüksek sönüm seviyelerinin elde edilebileceği gösterilmiştir. Ayrıca, farklı katmanlı imalat parametreleri kullanılarak aynı malzeme kompozisyonuna sahip olacak şekilde farklı elastik modülü, sönüm seviyesi, yoğunluk/gözeneklilik değerine sahip istenilen mekanik özelliklerde yapılar elde edilebileceği ortaya konulmuştur. Ayrıca, katmanlı imalatın bu özelliği kullanılarak parçaların farklı bölgelerinde farklı mekanik özellikler elde edilebilmesinin mümkün olduğu sonucu ortaya çıkmaktadır. Yapıların artan gözeneklilik değeri ile birlikte doğal frekans değerlerinin azaldığı ve sönüm seviyelerinin arttığı belirlenmiştir. Literatürde katmanlı imalat ile üretilen parçalara ait elastik modülün malzeme yoğunluğuna bağlı grafikleri ile benzer eğilimde bir grafik elde edilmiştir. Fakat bu grafiklerden farklı olarak elastik modülü değerleri mekanik testlerle değil titreşim testleriyle elde edilmiştir. Tüm bunlar katmanlı imalat ile üretilen parçaların konvansiyonel yöntemlerle üretilen parçaların yerine kullanılabileceğini göstermektedir. İleriki çalışmalar kısmında ise öneriler listelenmiştir. Katmanlı imalatın önemli avantajlarından biri birden fazla parçadan oluşan yapıların kaynak prosesi veya cıvatalı bağlantıya gerek kalmadan yekpare olarak üretilebilmesidir. Bu nedenle birden fazla parçadan oluşan bir yapı hem kaynak prosesi veya cıvatalı bağlantı içeren konvansiyonel yöntemle hem de yekpare olarak katmanlı imalat ile üretilip test edilerek katmanlı imalatın bu tip parçaların sönüm seviyelerindeki etkisi incelenebilir. Ayrıca, malzeme yoğunluğunun elastik modüle bağlı olarak verildiği grafik, çok sayıda farklı yoğunluk değerine sahip katmanlı imalat parçaların eklenmesi ile eğilimin daha iyi temsil edildiği bir grafik haline getirilebilir.