Mechanical performance analysis of 3d printed hierarchical honeycomb structures in aerospace-applications
Tezin Türü: Yüksek Lisans
Tezin Yürütüldüğü Kurum: Hacettepe Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Makina Mühendisliği A.B.D., Türkiye
Tezin Onay Tarihi: 2024
Tezin Dili: İngilizce
Öğrenci: YAKUP SEÇKİN KOÇ
Danışman: Mehmet Nurullah Balci
Açık Arşiv Koleksiyonu: AVESİS Açık Erişim Koleksiyonu
Özet:İşletmeler, maliyetleri düşürmek ve verimliliği artırmak amacıyla teknolojiye yatırım yaparak üretim yöntemlerinde önemli ilerlemeler kaydetmiştir.Bu ilerlemeler, özellikle geniş uygulama alanlarına sahip eklemeli imalat ile dikkat çekmektedir. Eklemeli imalat, karmaşık şekilli parçaların üretiminde geleneksel yöntemlere kıyasla daha etkili bir yol sunarak üretim verimliliğini artırmaktadır. Ayrıca, bu teknoloji, yeni iş modellerinin oluşturulmasına, tedarik zinciri değişimlerine ve ürün geliştirme süreçlerinin dönüşümüne yol açmaktadır. Havacılık endüstrisi, eklemeli imalat teknolojisinin öncüsü olarak son yıllarda büyük bir gelişme göstermiş ve uçak sayısında hızlı bir artış yaşanmıştır. Artan taleplerle birlikte, üreticilerin daha verimli, güvenli ve çevre dostu uçaklar üretmesi gerekmektedir. Mühendisler, hafif ve dayanıklı uçak bileşenleri tasarlarken bir takım gereksinimleri karşılamak zorundadırlar. Ancak, mevcut geleneksel üretim yöntemleri, üretim sürecinde yüksek maliyetlere ve tasarım karmaşıklığına yol açarak bileşenlerin fonksiyonelliğini sınırlamaktadır. Hafif ve dayanıklı yapıların önemi giderek artmaktadır. Bu nedenle, yeni üretim ve tasarım teknikleri üzerine kapsamlı bir araştırma ve geliştirme çalışması sürdürülmektedir.Bu hedef doğrultusunda, mevcut yapısal teknikler ve malzeme teknolojileri modern teknolojiyle yeniden değerlendirilerek gelecekte daha yüksek performanslı yapılar elde edilmesi beklenmektedir. AM teknolojisinin doğrudan parça üretimine uyarlanması, bu süreci olumlu yönde değiştirecektir. Sandviç paneller, yüksek eğilme sertliği/ağırlık oranı nedeniyle havacılık endüstrisinde önemli bir role sahiptir ve genellikle petek çekirdek yapıları içerirler. Petek yapılar, hafif ve güçlü olmalarıyla modern uçak tasarımında yaygın olarak kullanılır; ancak sınırlı mukavemetleri ve karmaşık eğriliklere sahip yüzeylere uygun olmamaları gibi kısıtlamalara sahiptir. Bununla birlikte çekirdekler istenilen forma bir blok yapıdan işlenerek oluşturulurlar, bu da üretim sürecinde atık oranını arttırırak çeşitli belirsizliklere yol açmaktadır. Bu zorlukları aşmak için, çekirdek yapıların üretim yöntemleri ve desen tasarımlarında yeniliklere ihtiyaç vardır. Doğal yapılar, nanometrelerden makroskobik ölçeklere kadar karmaşık ve hiyerarşik bir organizasyon sergileyerek, daha gelişmiş ve işlevsel malzemelerin tasarımını kolaylaştırır. Bu yaklaşım, geleneksel malzemelerin sınırlamalarını aşarak daha hafif, güçlü ve işlevsel yapılar geliştirilmesine olanak tanır. Hiyerarşik yapılar, küçük geometrilerin belirli seviyelerde metodik olarak dahil edilmesiyle oluşturulur ve literatür, bu yapıların geleneksel petek yapılara göre daha yüksek özgül mukavemet ve modül değerlerine sahip olduğunu göstermektedir. Eklemeli imalat teknolojisinin hiyerarşik petek yapılarla birleşimi, uçak sandviç tasarımlarında özelleştirme yoluyla istenen özellikleri uygun maliyetlerle ulaşmayı mümkün kılar. Mevcut çalışmada, AM teknolojisinin bal peteği üretimindeki sınırlamaları aşma potansiyeline ve havacılık yapısalları uygulamalarındaki entegrasyonuna yeni bir bakış sağlayacaktır. Tezin ilk bölümünde, 3D yazıcı ile üretilen test numunelerinin mekanik özellikleri deneysel olarak belirlenecek ve simülasyon modelleriyle doğrulanması gerçekleştirilecektir. Hiyerarşik petek yapıların doğru karakterizasyonu için temel malzeme özelliklerinin belirlenmesi kritik önemdedir. Yapı yönü, 3D baskı parçalarının anizotropik özelliklerini, yüzey kalitesini ve maliyetini üzerinde büyük bir etkiye sahiptir. Bu yüzden, yapı yönü hariç tüm işlem parametreleri sabit tutularak yapı yönünün mekanik performans üzerindeki etkisi incelenmiştir. Çekme testleri, üretilen PLA numuneleri üzerinde gerçekleştirilmiş ve sonuçlar statik yapısal simülasyonlarla karşılaştırılarak analiz edilmiştir. Mevcut çalışmada, eklemeli imalat ile üretilen bileşenlerin mekanik performansını değerlendirmek için daha hızlı ve etkili bir sonlu elemanlar analizi yaklaşımı önerilmektedir. Çalışmada algoritmaların zaman alıcı doğasına dikkat çekilmiş, ancak gerçekçi varsayımlarla simülasyon süreci basitleştirilmiştir. FE modellemesi, FDM bileşenlerinin mekanik davranışını doğru şekilde simüle etmiş ve yüksek doğruluk oranları elde edilmiştir.Tezin ikinci bölümünde, bir uçak kokpitinden seçilen kol dayanağı plakası içerisine entegre edilen farklı seviyelerdeki hiyerarşik petek çekirdek yapılarının mekanik davranışları incelenmiştir. Kol dayanağının en kritik yük durumunun pilotun otururken veya kalkarken plakanın orta kısmına uyguladığı kuvvetle meydana geldiği belirlenmiştir. İnsan kabiliyetlerinin standartları bakılarak benzer yük durumları oluşturulmuştur. Mekanik üç noktalı eğilme testi, bu yükler altında plakanın mukavemetini belirlemek için kullanılmıştır. Çekme testleriyle doğrulanmış PLA malzeme verileri ve eklemeli imalat için geliştirilen basitleştirilmiş simülasyon modeli, benzer sınır koşullar belirlenerek yeni modellerde uygulanmıştır. Petek yapılar için parametrik plaka tasarımları sonrasında, doğrusal analitik çözüm geliştirilmiş ve üç noktalı eğilme testi altında FE modellerinin sonuçlarıyla karşılaştırılmıştır. Sonuç olarak, hiyerarşik petek yapıların mekanik özelliklerini başarılı bir şekilde simüle eden ve analitik olarak doğrulayan bir yöntem sunmuş, aynı zamanda bu yapıların havacılık bileşenleri için umut vadedici potansiyelini göstermiştir.