Geri Dön

Refined material toughening and process modeling methodologies for additive manufacturing

Eklemeli imalat için hassaslaştırılmış malzeme toklaştırma ve süreç modelleme metodolojileri

PDF İndir

  1. Tez No: 832215
  2. Yazar: ELHAM YOUSEFIMIAB
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. ADNAN KEFAL
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Mekatronik Mühendisliği, Mechatronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2023
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: Sabancı Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Kritik mühendislik uygulamalarında özellikle seramik ve metal gibi gevrek malzemelerdeki çatlak oluşumu ve yayılımı önemli problemlerden biridir. Çatlak yayılımının modellemesinde sürekli ortam mekaniği yaklaşımlarına kıyasla yerel olmayan sayısal yöntemler, süreksizliklerin mevcudiyetinde de herhangi bir adaptasyona gerekmeksizin çalışabilmeleri önemli bir avantajdır. Bu çalışmada ilk olarak, dahil edilen kusurların (delik ve mikro-çalak gibi) çatlak davranışı üzerindeki etkisi ele alınmıştır. Bu nedenle, eklemeli imalat yöntemi ile üretilen parçalarda mikro kusurların tokluk artırımına etkisini incelemek için birleşik termomekanik bağ-tabanlı Peridinamik model geliştirilmiştir. Karmaşık termomekanik yüklere sahip plaklardaki çatlak dinamiği, termomekanik ve mekanik etkiler için ayrı ayrı zaman entegrasyon şemaları kullanılarak simüle edilmiştir. Delik konumlarının çatlak dinamiği üzerindeki etkisi ve farklı konumlandırmaların tokluk artışında sebep olduğu değişimler incelenmiştir. Ayrıca, üç farklı termomekanik yöntem incelenmiş ve karşılaştırılmıştır. Termal faktörün tokluk üzerindeki etkisine ait bir tartışma ortaya konulmuş ve literatür taramasında öncül çalışmalarda termal etkinin göz ardı edildiği görülmüştür. Çalışmanın ikinci kısmında, tokluğu artırılmış parçanın eklemeli imalat süreci incelenmiştir. Eklemeli imalat sırasında oluşan yüksek termal gradyan etkisi, üründe plastik deformasyona sebep olan yüksek artık gerilme oluşumuna neden olmaktadır. Nihai ürünün artık gerilmeleri, malzemeye dağınık nano-oksit partikülleri eklenerek ve eklemeli imalat süreci parametreleri optimize edilerek azaltılabilir. Bu nedenle, imalat süreci simülasyonlarını modellerken Inconel 718 (IN718) ve Oksit Dağılımı Güçlendirilmiş (ODS) süper alaşımların (ODS-IN718) lazer toz yatağı füzyon (L-PBF) sürecini incelemek için, sonlu elemanlar yönteminin plastik deformasyon modellemesindeki üstünlüğünden yararlanarak, birleşik termomekanik sonlu eleman modeli geliştirilmiştir. Elastoplastik bünye kanunu mekanik hesaplamalarda kullanılırken, bütün termofiziksel özellikler tamamen sıcaklığa bağlı olarak tanımlanmıştır. Bu yeni model, sonlu eleman simülasyonlarında toz, sıvı ve katı fazlar olmak üzere metalin üç durumunun modellenmesini mümkün kılmaktadır. Ayrıca, termomekanik performansı ve katmanlar arasındaki artık gerilmeyi incelemek için çok katmanlı numuneleri ayrıntılı bir şekilde simüle edebilmektedir. İlk olarak, geçiş sıcaklık profilini ve artık gerilim birikimini öngörmede mevcut modelin yüksek doğruluğunu kanıtlamak için kıyaslama problemleri incelenmiştir. Ardından, çeşitli lazer gücü ve tarama hızlarında IN718 ve ODS-IN718 numunelerinin L-PBF sürecini araştırmak için tek hatlı üç katmanlı bir test durumunun termomekanik analizi gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, ODS-IN718 numunelerinin termal karakterizasyonu deneysel olarak gerçekleştirilmiştir. Nümerik modelde elde edilen eriyik havuz boyutlarının deneysel sonuçlarla mükemmel bir uyum sağladığı gösterilmiştir. Ayrıca, mekanik sonuçlar yüksek artık gerilmelerin tarama hattın orta kısmında yığıldığını ortaya koymaktadır. IN718 ve ODS-IN718 numunelerinin üretim kalitesi, farklı lazer tarama hızları için farklı katmanlardaki gerilme dağılımının değişimlerine dayalı olarak kapsamlı bir şekilde karşılaştırılmıştır. Ayrıca, ODS-IN718 alaşımı için artık gerilmeleri en aza indirmek için optimum lazer tarama hızına ulaşılmıştır. Sonuç olarak, dağınık nano-oksit partiküllerinin özellikle düşük lazer tarama hızları için IN718'in nihai ürünündeki artık gerilmeleri azalttığı saptanmıştır.

Özet (Çeviri)

The formation and growth of cracks are challenging problems associated with the use of brittle materials, such as ceramics and metals in critical engineering applications. A method of increasing the toughness of these materials is to incorporate inclusions, e.g., stop-holes. When modeling crack growth, non-local numerical methods have a significant advantage over traditional continuum mechanic approaches due to their inherent ability to include discontinuities. This study first focuses on the analysis of the effect of inclusions on crack behavior. Hence, a fully coupled thermomechanical bond based Peridynamic model is developed to investigate toughening enhancement using inclusions in additively manufactured parts. Crack dynamics in plates with complex thermomechanical loads are simulated using a multi-rate time integration scheme. The effect of location of the stop-holes on crack dynamics is studied and various arrangements of stop-holes are compared in terms of toughness enhancement. Additionally, three different thermomechanical coupling methods are investigated and compared. A discussion of the effects of thermal considerations on toughness assessment is presented and the accuracy of neglecting thermal field in prior studies in the literature is examined. The second part of this study examines the additive manufacturing process used to produce the toughened part. The high thermal gradients induced during additive manufacturing process result in extremely high residual stress in the final product involving plastic deformations. The residual stress of the final product could be reduced by adding dispersed nano-oxide particles to the material and optimizing the additive manufacturing process parameters. Hence, for the process modeling simulations, based on the capabilities of the finite element method in modeling plastic deformations, a coupled transient thermomechanical finite element model is developed to examine the laser powder bed fusion (L-PBF) process of the Inconel 718 (IN718) and Oxide Dispersion Strengthened (ODS) superalloys (ODS-IN718). The elastoplastic constitutive law is implemented for the mechanical part whereas all the thermophysical properties are defined as fully temperature dependent. This new model enables three states of the metal including powder, liquid, and solid phases in the finite element simulations. Besides, it can meticulously simulate multi-layered samples to assess thermomechanical performance and residual stress between layers. First, benchmark problems are revisited to verify the high accuracy of the present model for predicting transient temperature profile and residual stress accumulation. Then, thermomechanical analysis of a single-track three-layers test case is performed to investigate L-PBF process of IN718 and ODS-IN718 samples for various laser powers and scan speeds. Also, the thermal characterization of ODS-IN718 samples is experimentally conducted. It is demonstrated that the numerical melt pool dimensions provide excellent agreement with experiments. Moreover, mechanical results reveal that high tensile residual stresses accumulate in the middle part of the track. The manufacturing quality of the IN718 and ODS-IN718 samples are comprehensively compared based on the variations of stress distribution at different layers for different laser scan speeds. Also, the optimal laser scan speed is achieved to minimize the residual stresses for the ODS-IN718 alloy. Overall, it is found that dispersed nano-oxide particles decrease the residual stress of IN718 in the final product especially for lower laser scan speeds.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    68425

    Synthesis and characterization of barium ferrite powders as radar absorbing material

    Radar soğurucu malzeme olarak baryum ferrit tozlarının sentezi ve karakterizasyonu

    ARCA İYİEL

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    1997

    Metalurji MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF.DR. MUHARREM TİMUÇİN

  2. Tez No

    747875

    Three dimensional non-axisymmetric local stability loss problem for the hollow cylinder made of anisotropic viscoelastic material

    Anizotropic viskoelastik malzemeden oluşan boş silindir için üç boyutlu simetrik olmayan lokal stabilite kaybı problemi

    MUHAMMAD YOUSAF ANWAR

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    İnşaat MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ZAFER KÜTÜĞ

  3. Tez No

    128732

    Eğrisel malzeme yapısına sahip kompozit şerit plakların zorlanmış titreşimi

    Forced vibration of composite plate strips having curved material structure

    FİLİZ AYDOĞDU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2002

    İnşaat MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. ZAFER KÜTÜĞ

  4. Tez No

    197091

    Rafine ve rafine edilmemiş yemeklik tuzların analizi

    Analyses of refined and unrefined edible salt samples

    DÖNDÜ SERPİL KAÇAR PEKER

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2006

    KimyaErciyes Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    DOÇ.DR. ORHAN TÜRKOĞLU

    PROF.DR. MUSTAFA SOYLAK

  5. Tez No

    268394

    Rafine fındık yağlarında ticari hekzan kalıntı miktarının GC - Head Space cihazı kullanılarak belirlenmesi

    Determination of commercial hexane residue levels in refined hazelnut oils by using GC - Head Space

    BURCU TAĞA

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2010

    Gıda MühendisliğiNamık Kemal Üniversitesi

    Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. BİLAL BİLGİN

Geri Dön