38
Arşivlenen Tez
3
DOI Atanmış
8%
DOI Oranı
Departman Tezleri
Badem kabuğu katkılı yonga levhaların ısıl iletkenliklerinin incelenmesi
Ülkemiz ekonomisi için enerji ve enerji kaynakları çok önemlidir. Enerjiyi verimli kullanabilmenin en önemli yolu ise ısı yalıtımıdır. Isı yalıtım endüstrisinde organik yapıların kullanımı hedeflenmektedir. Badem kabukları sert ve gözenekli yapıya sahiptir. Badem üretim miktarı teşvikler sayesinde daha da artacaktır. Piyasa arzı fazla ve uygun özelliklerdeki bu materyal ısı yalıtımı olarak incelenmiştir. Üretilen malzemeler 0,6-0,9 ve 1,2 g/cm3 yoğunluklardadır. Badem kabukları yüzdece oranları % 9, % 23, % 27, % 45, % 54, % 72, % 81 ve % 90 olarak ifade edilmektedir. Üretilme aşaması olarak öncelikle badem kabuğu, kavak-karaçam ve tutkal temin edilmiştir. Badem kabukları öğütülmüş ve karıştırılmıştır. Karışım sıcak pres cihazında basılmıştır. Zımparalama, kenar kesme ve numaralandırma yapılmıştır. Üretilen badem kabuğu katkılı yonga levhalar ısıl iletkenlik testine alınmıştır. Ahşaplar ısıl iletkenlik bakımından incelendiğinde 0,200 W/mK değerlerine sahiptir. Üretilen badem kabuğu katkılı yonga levhaların ısıl iletkenlik sonuçları 0,068-0,190 W/mK arasındadır. Sonuç olarak ısı iletim bakımından ahşaba göre daha iyi bir ısı yalıtım malzemesi elde edilmiştir. Sonuçların büyük bir kısmında badem kabuğunun oranının artması yalıtımı artırmaktadır. Maliyet olarak karlı bir yatırımdır. Yoğunluğun azalması ısıl yalıtkanlığına olumlu etkiler yapmaktadır.
3-eksenli minyatür işleme merkezinin tasarımı, geliştirilmesi ve performansının değerlendirilmesi
There is a growing demand for highly accurate micro-scale parts from various industries including medical, biotechnology, energy, consumer, and aerospace. Mechanical micro-machining which is capable of fabricating three dimensional micro-scale features on a wide range of engineering materials such as metals, polymers, ceramics and composites is a viable micro-manufacturing technique to effectively address this demand. Miniature machine tools (MMTs) are developed and used in mechanical micro-machining since their small size improves the accuracy and e ? ciency of the process. The output quality of the ? nal product manufactured on an MMT depends on choosing the optimum machining parameters. However, the full potential of micro-machining can not be achieved due to challenges that reduce the repeatability of the process. One of the most signifcant challenges in micro-machining is the deterioration of output quality due to the MMT vibrations. This thesis demonstrates the development of a three-axis miniature machine tool, the performance evaluation of its micro-scale milling process, and the characterization of its dynamic behaviour using ? nite element simulations and experiments.The MMT is designed and constructed using precision three-axis positioning slides (2 micrometers positioning accuracy, 10 nanometers positioning resolution, 60 mm x 60 mm x 60 mm workspace), miniature ultra-high speed spindles (ceramic bearing electrical spindle with maximum 50,000 rpm rotational speed and air bearing air turbine spindle with maximum 160,000 rpm rotational speed), a miniature force dynamometer, and a microscope. Three dimensional ? nite element simulations are performed on the developed MMT to obtain the static and dynamic characteristics of the spindle side. A maximum static de ? ection of 0.256 µm is obtained on the designed base when 20 N forces in three directions are applied to the center of the spindle. Dynamic ? nite element analysis predicts the ? rst three natural frequencies as 700 Hz, 828 Hz and 1896 Hz; hence corresponding spindle speeds should be avoided for successful application of micro-machining.To demonstrate the capability of MMT for manufacturing three dimensional (3D) features, micro-milling is proposed as a novel method for fabricating Poly(methyl methacrylate) (PMMA) and poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA) polymer micro-needles. The micro-machinability of PMMA and PLGA polymersis investigated experimentally by machining a group of 3 mm length and 100 µm depth slots using 50,000 and 100,000 rpm spindle speeds with di ? erent feedrates (5, 10, 15, and 20 µm/ ? ute). The micro-machinability study concludes that PLGA has better machinability than PMMA. It is also observed that themachining parameters of 50,000 rpm spindle speed and 20 µm/ ? ute feedrate give better output quality. Using these machining parameters, micro needles with different geometries are successfully manufactured from PMMA and PLGA polymers. During this study, it is observed that polymer pillars bend due to machining forces and vibrations, which causes dimensional errors.To address the deterioration of the output quality due to vibrations stemming from machining forces and high-speed-rotations, MMT vibrations particularly focusing on the spindle side dynamics are investigated experimentally using runout (spindle axis o ? set) measurements and experimental modal analysis techniques. The results are compared with those from three-dimensional ? nite element simu-lations. The investigation of MMT vibrations indicates that the developed MMT is convenient for accurate applications of micro-machining using air-turbine air bearing spindle. However, the selection of the operation frequencies for electrical spindle is challenging at certain speeds with this design because most of the critical natural frequencies of the developed MMT appear in the operating frequency range of electrical spindle.Runout measurements using two laser doppler vibrometer (LDV) systems and experimental modal analyis which utilizes an impact hammer and accelerometer are conducted to obtain spindle side dynamics. Runout measurements performed on the miniature ultra-high speed ceramic bearing electrical spindle show that both magnitude and shape of the runout errors vary considerably with spindle speed. A peak of 1.62 µm synchronous runout is observed at 15,000 rpm. Asynchronous runout errors become signi ? cant between spindle speeds of 40,000 and 50,000 rpm and reach to a maximum of 0.21 µm at 45,000 rpm. On the other hand, experimental modal analysis is conducted to obtain both the steady-state and speed dependent frequency response functions (FRFs) of the mechanical structures. Steady state FRFs indicate that 750 Hz and 850 Hz are two important natural frequencies for successful application of micro-machining. Compared to the three dimensional ? nite element simulations, there is 7 % difference for the ? rst mode and 3 % di ? erence for the second mode. Both steady-state experimental modal analysis and ? nite element simulations could not consider the speed-dependent dynamics. Therefore, experimental modal analysis at different spindle speeds is also performed and it is concluded that natural frequencies of the mechanical structures change signi ? cantly depending on spindle speed. Speed-dependent FRFs show that the maximum response of about 0.35 µm/N is obtained while the spindle is rotating at 16,000 rpm but the peak occurs at 24,000 rpm (400 Hz). In addition, the vibration amplitude grows between the spindle speed of 40,000 rpm and 50,000 rpm.Experiments and ? nite element simulations provide a machine operation frequency selection guide. It is suggested to avoid two di ? erent spindle speed ranges (15,000- 25,000 rpm and 40,000-50,000 rpm) to prevent vibration related inaccuracies. In addition, structural modi ? cations can be achieved to further optimize the design based on the experimental data obtained in this work. The obtained experimental data can be used to derive mathematical model of the MMT and to perform stability studies to increase the productivity of the micro-machining processes.Overall, the novel micro-machining technique tested on the developed MMT highlights the quality and ranges that can be achieved in micro-manufacturing.
Enerji yönetimi problemleri için yönetici tipte kontrolcü tasarımı
Multi energy source systems, like hybrid electric vehicles in automotive industry, started to attract attention as a remedy for the greenhouse gas emission problem. Although their environmental performances are better than conventional technologies such as the case of gasoline vehicles versus hybrid electric vehicles in automotive industry, their operational management can be challenging due to their increased complexity. One of these challenges is the operational management of the energy flow among these multiple sources and sinks which in this context referred as the energy management problem.In this thesis, a supervisory controller is developed to operate at a residential environment with multiple energy sources. First, dynamic optimization techniques are applied to the available mathematical models of the multi-energy sources to create a non-causal optimal controller. Then, a set of implementable rules are extracted by analyzing the optimal trajectories resulted from the dynamic optimization to create a causal supervisory controller.Several simulations are conducted with Matlab/Simulink to validate the developed controller. The supervisory controller achieves not only a daily cost reduction between 6-7.5% compared to conventional energy infrastructure used in residential areas but also performs 2% better than heuristic control techniques available in the literature. Another simulation study is conducted, with different demand cycles, for verification of the controller. Although its performance reduces as expected, it still performs 1% better than heuristic control strategies.In the final part of this thesis, the formulation used in the residential problem which was originally adopted from an example in automotive industry, is generalized so that it can be used in all types of energy management problems. Finally, for exemplary purposes, a formulation for energy management problem in mobile devices is created by using the developed generic formulation.
Sarkacın sürtünmeli bir yüzey ile çarpışması
Constrained impacts with friction frequently exist in mechanical systems suchas robotic arms, hard disk drives and other mechanisms. Such discontinuouscontacts, if not designed and analysed properly, can lead to malfunctions. Inparticular, for the analysis of problems that involve eccentric collisions and reversalof friction force, use of stereomechanical impact theory with coecient ofrestitution can produce paradoxical energy increase. Alternatively, continuummodels, which provide more detailed analysis for such problems, can be used,however they are computationally tedious. Instead, here, contact is described bycompliant elements with friction and applied to a physical pendulum.In this thesis, impact-momentum relations for general three-dimensional freecollisions are modied for a pendulum which exemplies an impact with frictionand constraint. Inclusion of tangential compliance to model enables the modelto demonstrate tangential force reversals and their transition between stick andslip, which is demonstrated using a sphere and a slender rod obliquely collidingwith a rough massive plane.Use of compliant elements to describe impact by a planar pendulum producesdierences in the behavior of a constrained system compared with free impacts.For instance, in free collisions an impact that starts with an initial sticking,is always followed by sliding. However, in a pendulum if the contact beginsby sticking, it continues to stick throughout the duration of impact. Anotherdierence appears when contact starts with an initial sliding. In free impact,sliding is followed by sticking and sliding, then the body rebounds unless thecollision is inelastic. However, in the constrained case wedging of the pendulumis observed if initial angle of collision is below a critical value for a speciedfriction coecient.
Polimer tabanlı mikro-akışkanlar-dinamiği cihazlarının enjeksiyon kalıplaması
Mass-production of microfluidic devices is important for fields in which disposable devices are widely used such as clinical diagnostic and biotechnology. Injection molding is a well-known, promising process for the production of devices on a mass-scale at low-cost. The major objective of this study is to develop a technique for repeatable, productive and accurate fabrication of integrated microfluidic devices on a mass production scale. To achieve this, injection molding process is adapted for the fabrication of a microfluidic device with a single microchannel. During the design procedure, numerical experimentation was performed using Moldflow® simulation tool. To increase the product quality, high-precision mechanical machining is utilized for the manufacturing of the mold of the microfluidic device. A conventional injection molding machine is implemented for the injection molding process of the microfluidic device. Injection molding is performed at different mold temperatures. The warpage of the injected pieces is characterized by measuring the part deformation. The effect of the mold temperature on the quality of the final device is assessed in terms of part deformation and the bonding quality. From the experimental results, one-to-one correspondence between the warpage and the bonding quality of the molded pieces is observed. As the warpage of the pieces decresases, the bonding quality increases. A maximum point for the breaking pressure of the bonding and the minimum point for the warpage was found at the same mold temperature. This mold temperature was named as the optimum temperature for designed microfluidic device. The experimental results are also used to discuss the assessment of the simulation results. It was observed that although Moldflow® can predict many aspects of the process, all the physics of the injection molding process cannot be covered.
NR/SBR tipi elastomer esaslı ayakkabı taban malzemelerinin mekaniksel özelliklerine bazı dolgu maddelerinin etkilerinin incelenmesi
Ayakkabı taban üretiminde çok farklı özellikte malzemeler kullanılmaktadır. Kullanılan malzeme grubunda en fazla yekûnu teşkil eden ise elastomer esaslı ayakkabı tabanlardır. Bu çalışmada NR/SBR elastomer esaslı taban malzemelerinde geleneksel dolgu malzemelerinin yerine farkı dolgu maddeleri kullanılmıştır. Çalışmada karbon siyahının yanında, alternatif dolgu malzemesi olarak cam küre, cam elyafı, mika tozu, salpa tozu ve wollastonit kullanılmıştır. Bu dolgu malzemelerinin mekaniksel özelliklere etkileri ve maliyet analizi yapılmıştır. Çalışma sonucunda Klasik Formül, Formül A ve Formül B'nin diğer alternatif dolgu içeren numuneler ile karşılaştırması yapılmıştır.Deneysel çalışma iki aşamada gerçekleştirilmiştir. Endüstride yaygın olarak kullanılan Klasik Formül baz alınarak yapılan ilk çalışmada Doğal kauçuk (NR) oranını azaltarak stiren butadien sentetik kauçuğunun (SBR) oranı artırılmıştır. Elde edilen formülde ilave dolgu oranı % 8,9 alınmıştır. Formül A malzemesine sonradan % 8,15 oranında alternatif dolgu ayrı ayrı katılarak beş farklı formülasyon elde edilmiştir. Bu karışımların mekaniksel özellikleri incelenmiştir. Deney sonuçları, wollastonit, mika tozu ve cam kürenin kauçuk karışımlarında karbon siyahı ile birlikte kullanıldığında mekaniksel özelliklerde belli bir iyileşmenin olduğunu göstermiştir. Salpa tozu kauçuk içerisinde yoğrulma esnasında topaklaşmadan dolayı karışımda homojen bir yapı sağlamamış olduğundan elde edilen kauçuk malzemede mekaniksel özelliklerin düşmesine neden olmuştur. Bu çalışmada aşınma miktarları ve kopma mukavemetleri istenen değerleri karşılamadığı görülerek ikinci aşama formülasyon çalışmasına geçilmiştir.Anahtar kelimeler: NR, SBR, Wollastonit, Cam küre, Cam elyaf, Mika tozu, Elastomer, Kauçuk taban.İkinci aşamadaki formülde toplam NR+SBR oranı % 44,6 olup SBR oranı artırılmıştır. İlave dolgu oranı % 5,15- 9,4?13,4 ve 17,2 alınmıştır. Cam elyaf ve salpa tozu hariç diğer dolgular kullanılarak yapılan bu ikinci çalışmada mekanik değerlerin hemen hemen tümünün olumlu etkilendiği ve standart değerler içinde yer aldığı görülmüştür. Yoğunluk değerlerinde azalma tespit edilmiştir. Kullanılan dolgu malzemelerinin bütün malzeme numunelerinde sertlik değerlerini arttırdığı belirlenmiştir. Numunelerin Bennewart esnetme deneyi sonucu tümü kabul edile sınırların içerisinde çıkmıştır. Mekanik değerlerin genelde iyi sonuç verdiği % 5,15 dolgulu malzemelerin uzama miktarında iyileşme görülmüştür. Elastomer esaslı taban malzemeleri için en uygun mekanik değerler baz alınarak yapılan maliyet analizine göre cam küre B1 CK1 ve B2 CK2, wollastonit dolgulu B1 W1 ve B2 W2 nin tercih edilmesinin uygun olacağı görülmüştür.
Jet çarpmalı dikdörtgen kesitli bir kanalın ısı transferi büyüklüklerinin deneysel (TLC metodu ile ) ve teorik analizi
Isıtma ya da soğutma amacıyla jet çarpma tekniği uygulanan dikdörtgen kesitli bir kanalda ısı transfer büyüklükleri teorik olarak analiz edilmiştir.Yapılan çalışmada Sakarya Üniversitesi Makine Mühendisliği Bölümüne ait lisanslı Fluent 6.2.16 programı kullanılarak yüzeylerdeki ısı transferi karakteristikleri hesaplanmıştır. Bulunan sonuçlar aynı geometri üzerinde Pittsburgh Üniversitesi Makine Mühendisliği Bölümü'nde Uysal [17] tarafından deneysel olarak Termal Sıvı Kristali yöntemi (TLC) kullanılarak yapılan çalışma sonuçları ile kıyaslanmıştır.İlave olarak çalışmada hedef-jet plaka mesafesinin ısı transfer büyüklüklerine etkisi ve akışkan olarak kullanılan havanın sıkıştırılabilir ve sıkıştırılamaz seçilmesinin sonuçları nasıl etkilediği araştırılmıştır. Deneysel ve teorik sonuçlar kıyaslanmıştır
Doğal kalça mafsalı ve yapay protezlerinde temas mekaniklerinin bilgisayar destekli incelenmesi
Bu çalışmada doğal kalça mafsalı ve yapay yüzey yenileme protezlerinin üç boyutlu gerçek anatomik, iki ve üç boyutlu eksen simetri sonlu eleman modelleri oluşturularak temas mekanikleri incelenmiştir. Hesaplama zamanının kısalığı nedeniyle iki boyutlu eksen simetri sonlu eleman modelleri kullanılarak ağ yapısı yoğunluğu, yük artışı, radyal açıklık, eklem kıkırdağı veya kap kalınlığı gibi faktörlerin temas mekaniklerine etkisi araştırılmıştır.Doğal kalça mafsalında incelenen parametreler arasında temas mekaniklerini en çok etkileyen faktörün yük artışı olduğu görülmüştür. Komple kalça yüzey yenilemede temas mekaniklerini en çok etkileyen parametrenin radyal açıklık olduğu belirlenmiştir. Kalça yarı yüzey yenilemede ise hem yükdeki hem de radyal açıklıkdaki artış, temas mekaniklerini önemli ölçüde etkilemiştir.Kemik dokularında medyana gelen gerilmeler incelendiğinde yalnızca uyluk kısmına protez takılmasıyla bir miktar gerilme korunumu meydana geldiği komple kalça yüzey yenileme ile gerilme korunumunun biraz daha arttığı ancak elde edilen tüm bu değerlerin, komple kalça yenilemede elde edilen değerlerden düşük olduğu görülmüştür.Klinik çalışmalar kalça yarı yüzey yenileme ameliyatları sonrasında metal proteze karşı doğal eklem kıkırdağının bozulduğunu ve bu durumun hastalarda ağrıyı çoğunlukla engelleyemediğini göstermiştir. Bu nedenle uyluk protezi temas yüzeyinde daha yumuşak olan elastomerik bir malzeme kullanılarak temas mekanikleri incelenmiş ve metal proteze göre temas basıncında önemli ölçüde azalma olduğu ortaya konulmuştur.
İyileştirilmiş yüzeyler arasında taşınımla ısı geçişinin sayısal incelenmesi
Levhalı ısı değiştiricilerinin esasını oluşturan dalgalı yüzeyli iki levha arasında ısı geçişi ve basınç düşüşü sayısal olarak incelenmiştir. Levhalı ısı değiştiricileri paralel şekilde yerleştirilmiş dalgalı yüzeyli levhaların bir araya getirilmesiyle oluşturulur. Levhalar arasındaki dalgalı geometri sayesinde akış esnasında akışkanın yönü ve hızı sürekli olarak değişmekte, bu sayede, ısı geçişini arttıran türbülanslı akışlara düşük Reynolds sayılarında ulaşılabilmektedir.Bu çalışmada tam gelişmiş akış ve sabit yüzey akısı için, daralan-genişleyen levhalar arasında akmakta olan havanın ısı taşınım katsayısı ve basınç düşüşü sayısal olarak incelenmiştir. Levhaların ısıl bir modeli yapılmış ve bu model, sonlu elemanlar yöntemiyle çözüm yapan ANSYS yazılım programı, Sayısal Akışkanlar Dinamiği Modunda (CFD) kullanılarak ısı taşınım katsayısı ve basınç düşüşü hesaplanmıştır. Bulunan sayısal sonuçlar, deneysel verilerle karşılaştırılmış ve sonuçların uyum içinde olduğu gözlenmiştir.
Yakıt pillerinde son plakanın ısıl ve mekanik analizlerinin incelenmesi
Günümüzde petrol ve türevlerinin insan hayatındaki yeri büyüktür. Isınma, üretim, ulaşım, iletişim gibi her işlevde enerji kaynağına gereksinim duyarız. Petrol rezervlerinin kararsız bölgede olması ve giderek azalması nedeniyle yeni enerji kaynaklarına yönelme söz konusudur. Otomotiv sanayinde kullanılan içten yanmalı motor teknolojisinin çevreye verdiği hasardan dolayı da küresel ısınma, çevre kirliliği gibi felaketler dünyayı beklemektedir. Bu sorunların üstesinden gelebilecek olan enerji kaynağı umudu hidrojen olup, yakıt pili teknolojisi ile otomotiv sanayinde içten yanmalı motorlarla rekabete girmesi bekleniyor. Sıfır emisyon avantajı bir yana patlamalı bir reaksiyon olmaksızın sadece elektrokimyasal bir reaksiyona sahip olması sessiz çalışma gibi bir çok avantajları da yanında getirmektedir. Lakin hidrojen ve yakıt pili teknolojisini kısıtlayan su yönetimi, termal yönetimi, ve belki de en çok etki yapan maliyet sorunu belirmektedir. Yapılan bu çalışmada maliyete en çok neden olan bipolar plakaların üzerinde yapılan çalışmalar yer almaktadır. Ayrıca bu çalışmada günümüzde en çok tercih edilen grafit bir son plakanın hidrojen hava modeli oluşturulmuş gerçek basınç dağılımları alınarak yapısal analize konulmuş ve plakada ki yapısal bozukluklar incelenmiş ve ömür analizi yapılmıştır.