Numerical investigation of natural convection in dmlm process

thumbnail.default.placeholder
Tarih
2020-06-15
Yazarlar
Özada, Berk
Süreli Yayın başlığı
Süreli Yayın ISSN
Cilt Başlığı
Yayınevi
Institute of Science And Technology
Fen Bilimleri Enstitüsü
Özet
The importance of additive manufacturing is increasing day by day and competing with conventional manufacturing methods. Unlike the material removal or casting process, additive manufacturing is premature technology and struggling with some issues. Especially after became a focus of the industry and implicitly the academic studies, additive manufacturing is growing exponentially and physics behind the process is being revealed. Even though aviation, automotive and healthcare looks like the pioneers of the technology, usage of the technology becomes popular among almost all industries. Additive manufacturing or can be named as 3-dimensional (3D) manufacturing consists of numerous sub-methods that are based on the same principles even there might be some differences. In short, CAD file converted into an STL file which becomes readable by the additive manufacturing machine, and part is generated layer by layer until the final geometry is achieved. Additive manufacturing mainly divided into two subcategories which are using materials and power supply which melts the powder. Although fused deposition modeling (FDM) is common currently, metal and ceramic based additive manufacturing importance is increasing significantly. Enables to complex designs and high strength/weight benefits, interests of aviation and automotive industry increases in particular. Metal-based additive manufacturing can be segregated based on the power supply. Electron discharge and laser are the main technologies that are competing in the industry. DMLM obtains a high amount of energy from the laser whereas EDM gets from electron discharge. Both methods have their advantages and drawbacks which need to be considered while selecting the process. The part is printed under either vacuum or inert gas environment which prevents the oxidation at the high-temperature levels. Generally, the oxygen level inside the chamber should be decreased below 0.1% to begin the process. Besides preventing the oxidation, an inert gas is responsible to sweep spatters which can be generated with the interaction of the laser and powder. As the spatters may stick on the melted joint or diverts the laser light, process efficiency can drop significantly in the absence of inert gas for DMLM process. For that purpose, Argon or Nitrogen is preferred which is not reacting with the metals. The thin powder layer is melted with the existence of the laser and weld to the previously solidified layers. In each step, the build plate moves down and allows the recoater to spread a new powder layer. The part is removed from the powder pool once the process finishes. One of the drawbacks of the DMLM process is to have high costs. Even though additive manufacturing is promising to use for the highly complex and xx rapid prototyping, because of the high machine cost which can reach up to 75% of the total cost, additive manufacturing stays behind the conventional methods at the mass production. It revels with the experimental studies that mechanical properties of DMLM parts are below the forged parts whereas higher than the cast parts. Porosity, lack of fusion, residual stress, and rough surfaces are the parameters that have a significant impact on the mechanical properties. Because of the aforementioned defects, numerous studies in the literature investigate the process parameters. Laser power, scan speed, and scan strategies are the main focus areas to predict imperfections on the part. Energy density is the parameter that combines those parameters. High energy density brings about porosity because of keyhole formation and high residual stresses along the part since the thermal gradients increases parallel to laser energy. The other way around, low energy densities lead to obtaining balling and lack of fusion. In order to predict and avoid defects, process parameters of DMLM process are intensely being studied. Melt pool sizes and temperature within the parts are should be predicted during the process to control the overall part properties. As the physics behind the process is highly complex, each research makes some reasonable assumptions to simplifies the analyzes. Two methods which come forward are the analyze the domain as solid or fluid once the temperatures exceed the liquidus temperature. Even though melt pool dimensions are on the macro scale and return to solid-state within milliseconds, as the thermal gradients are extremely high, natural convection plays significant roles. This study investigates the effect of Marangoni and buoyancy forces during the DMLM process. For that purpose, two separate models is generated which one of that takes flow equations into account whereas others does not. Nine process parameters are selected based on the selected material which is Ti-6Al-4V. Ti-6Al-4V or Ti6-4 is one of the common materials among the aviation and healthcare industries which the advantage of high strength/weight ration. Powder material thermomechanical properties significantly vary from the bulk material properties. However, as the conventional manufacturing data are used in case of DMLM powder material curve is missing, Ti6-4 is one of the preferred materials for the literature. Marangoni and buoyancy are the forces acting on to the molten particles. Marangoni is a surface force that exerts on the free surface between inert gas and melts pool whereas buoyancy force is body force. Under laminar, incompressible assumptions, the impact of Marangoni and buoyant forces are investigated on melt pool dimensions and temperatures. Since the surface temperatures reached to 3500K, those two forces played a significant role in the high temperatures. Analytical results are compared and validated with the results which are obtained from the literature. Although there are several experimental studies for each parameter, maximum process parameter similarity between the CFD and experimental studies are considered during the experimental data selection. It is revealed that the importance of the flow equations becomes significant with the increase of energy densities. Even though melt pool dimensions are on the microscale, maximum velocity among the melt pool reached 1.84 m/s locally. Low energy density applications bring about reasonable results with solid modeling where the accuracy of the methods scatter with an increase of energy density. Especially error at the high energy density applications significantly increases with the solid modeling approach. However, results indicate that melt pool depth sizes captured accurately with both xxi approaches whereas error percentage of melt pool temperature and width predictions are significantly increasing at the high energy densities without taken flow equations into account. As the temperature gradients increases, natural convection within the melt pool plays a significant role in the surface temperature and width measurements. With the help of the Marangoni force, flow is directed along the perpendicular direction of the laser movement which distributes the heat along with the plate.
Katmanlı imalat her geçen gün önemini arttırarak geleneksel üretim metotlarına büyük rakip olmayı sürdürmektedir. Bu yöntem göreceli olarak daha yeni bir teknoloji olmakta ve birçok sorunu da beraberinde getirmektedir. Özellikle son yıllarda gerek sanayi çalışmaları gerekse de akademik çalışmalarla bilgi birikimi eksponansiyel olarak gelişmekte ve proses optimum hale getirilmektedir. Havacılık, otomotiv ve sağlık sektörü bu teknolojinin öncüleri olarak gözükmesine rağmen katmanlı imalatın sunduğu avantajlarla hemen her sektörde önemini ve kullanılırlığını arttırmaktadır. Katmanlı imalat, eklemeli imalat veya 3 boyutlu yazıcılar aynı anlama gelmekle beraber literatürde dönüşümlü olarak kullanılmaktadır. Katmanlı imalat birçok alt prosesi bünyesinde bulunduran geniş bir tanımdır. Fakat her ne kadar prosesler arasında belirgin farklar olsa da, basit olarak temelde katmanlı imalat, CAD dosyası dilimlenerek basıma hazır hale getirilir ve malzemeler bu dilimlenmiş katmanlara üst üste ekleyerek yeni parça oluşturmaktadır. Birçok alt başlık altında toplanabilir katmanlı imalat yöntemleri ama en belirgin sınıflandırma genelde kullanılan malzeme ve ergitmeyi sağlayacak enerji türü olarak iki alt başlığa ayrılabilir. Her ne kadar günümüzde en yaygın yöntem olarak termoplastik malzemeler kullanılsa da, metalik ve seramik malzemelerin etkisi artmaktadır. Özellikle kompleks geometrileri üretebilir kılması ve mukavameet/ağırlık oranından dolayı havacılık ve otomotiv sektörlerinde sıklıkla kullanılmaya başlamıştır. Metal bazlı malzemelerin katmanlı imalat yöntemleri genel olarak enerji kaynağına ve uygulanan enerji yoğunluğu ile ayrılır. En yaygın olarak kullanılan ve sektörde öne çıkan iki yöntem seçici lazer ergitme (SLE) ve elektron ışını ergitmedir (EIE). Bu iki yöntemi birbirinden ayıran enerji kaynağının birinde lazer birinde elektron ışını olmasıdır. Her ikisinin de kendine has avantajları ve dezavantajları vardır. Proses belirlenirken bunlar göz önünde bulundurulmalı ve uygun enerji kaynağı üretim metodu seçilmesi gerekmektedir. SLE soy gaz ortamında gerçekleşirken, EIE vakum altında basılmaktadır. Her iki proseste de yüksek sıcaklıklarda meydana gelebilecek oksidasyonu engellemek ve istenilen mukavemet değerlerine ulaşmaktır. Bu sebepten dolayı proses ortamdaki oksijen değeri %0.1 altına inene kadar beklenir ve sonrasında işlem başlatılır. Soy gazlar oksidasyonu engellemesinin yanında toz şıçramalarını da ortamdan uzaklaştırarak istenmeyen parçacıkları eritilmiş ortamdan uzaklaştırmaktadır. Toz sıçramaları farklı türlerde ve boyutlarda olmaktadır ve yüksek enerjili lazerin saçılmasına ve lazerin performansını düşürmektedirler. Bu sebeple SLE yönteminde Argon ve Nitrojen genel olarak kullanılan soy gazlardır. SLE yönteminde mikron mertebesinde toz katmanı her bir proses adımında üretim tablasını serilmekte ve lazer yardımı bir önceki adımlarda oluşturulmuş katmanlara kaynatılmaktadır. Ana malzemenin toz olmasından dolayı bu prosese toz yataklı lazer eritmeli sistemlerde denilmektedir. Her ne kadar parça aşağıdan yukarıya doğru basılmaktaysa da, üretim tablası yukardan aşağıya doğru hareket etmekte ve toz sericinin yeni katmanı oluşturmasına imkân verebilmektedir. Bu sebepten dolayı üretim tablası her bir adımda bütün yüzeyi tozla kaplanmakta ve basılan parça üretim sonunda bu toz havuzundan ayrılarak elde edilir. Eritilmemiş toz parçaları basım sonunda ayrılarak bir sonraki prosesde kullanılmaktadır. Bu sebeple gerek prosesi optimize etme gerekse de maliyetleri aşağı çekmek amaçlanmaktadır. Maliyetler şuan için katmanlı imalat önünde duran en önemli problemlerden biri halinde. Özellikle hızlı modelleme ve kompleks parça üretimi için öne çıkan bu teknoloji, seri üretime geçildiğinde maliyetler bakımından geleneksel yöntemlerin gerisinde kalmaktadır. Bunun temel sorunu günümüz teknolojisi ile SLE makinelerinin maliyetlerin çok fazla olması. Makine maliyetleri toplam üretim maliyetinin yaklaşık %75'ni oluşturmaktadır. Mekanik özellik konusunda SLE metodu döküm malzemelerden iyi olmasına rağmen kalıp dövme yönteminden daha kötü sonuçlar elde edilmektedir. Özellikle basım sonrasında uygulanan ısıl işlemler mekanik özellikleri belirgin derecede arttırmasına ragmen literatür araştırmaları göstermektedir ki özellikle yüksek sıcaklıklarda mekanik özellikleri önemli ölçüde düşüş göstermektedir. Parçada oluşan porozite, eksik erime, artık gerilme, kaba yüzey kalitesi mekanik özellikleri önemli derece de etkileyen problemlerden bir kaçıdır. Yukarıda bahsedilen kusurları önlemek amacıyla SLE yönteminin fiziği hakkında bir sürü çalışma yapılmaktadır. Özellikle lazer parametre seçimi son derece önemli katkı sağlamaktadır final parçanın özelliklerinde. Lazer hızı ve gücü, tarama deseni literatürde en fazla üzerinde araştırma yapılan ve odaklanılan konulardır. Enerji yoğunluğu bu parametrelerin çoğunu kapsamakta ve parçada oluşabilecek kusurları tahmin etmede kullanılan bir parametredir. Yüksek enerji yoğunluğu (yüksek lazer gücü, düşük lazer hızı) parçada fazla erimeye bunun sonucunda poroziteyi oluşturmakta ve sıcaklık gradyanları yükselmesiyle artık gerilmeleri de artırmaktadır. Düşük enerji yoğunluğu durumunda ise (yüksek lazer hızı, düşük lazer gücü) eriyik havuzunun yumaklanmasına ve prosesin kararlı olmamasına veya eksik erimeye neden olarak parça içinde poroziteye neden olmaktadır. Bu sebepten dolayı lazer veya başka deyişle proses parametreleri literatürde gerek analitik gerekse de deneysel olarak çalışılmaktadır. Özellikle eriyik havuzunun ölçüleri ve parça sıcaklıkları proses boyunca enerji yoğunluğu ile kontrol altına alınmak istenmektedir. Bazı varsayımlar ile birçok farklı sayısal araştırma bulunmaktadır literatürde. Genel olarak iki başlık altında toplamak gerekirse, mikro ölçeklerde oluşan eriyik havuzunu dikkate alarak akış denklemlerini çözen nümerik çalışmalar ve sadece termomekanik olarak prosesi ele alarak akışı ihmal etmek. Her ne kadar eriyik havuz küçük ölçeklerde olsa ve mikro saniyelerde katı forma geçse de, sıcaklık gradyanlarının bir hayli yüksek olmasından kaynaklı doğal taşınım son derece etkin rol oynamaktadır. Marangoni ve kaldırma kuvvetleri doğal taşınıma yol açan kuvvetlerdir. Bu çalışma Marangoni ve kaldırma kuvvetlerini ihmal ederek sadece termomekanik olarak yapılan sayısal analizlerin eriyik havuzunu ve yüzey sıcaklıklarını tahminindeki etkisini incelemektedir. Bu sebeple akış denklemlerini işin içine katan ve ihmal eden iki farklı analiz metodu oluşturulmuştur ve aralarında ki sonuçlar incelenmiştir. Üç farklı lazer gücü ve lazer hızı seçilerek toplamda dokuz proses noktası seçilmiştir her iki analiz metodu için. Lazer gücü ve hızı aralığı her bir malzeme için farklı olmasından dolayı Ti-6Al-4V malzemesi göz önünde bulundurularak seçilmiştir. Ti-6Al-4V veya Ti6-4 özellikle havacılık ve sağlık sektöründe son derece tercih edilmektedir mukavemet/ağırlık oranları göz önüne alındığı zaman. Her ne kadar SLE malzemeleri için özel malzeme eğrileri oluşturulmakta olsa da, yukarıda bahsedildiği gibi bu proses henüz gelişme aşamasında olmasından kaynaklı her malzeme verisi bulunabilir durumda olmayabilir literatürde. Bu durumda geleneksel yöntemlerde kullanılan malzeme eğrileri kullanılmaktadır. Her ne kadar bazı toz parçacık özellikleri son derece farklılık gösterse de ana malzemeden, literatürde Ti6-4 malzemesi için geniş bir malzeme verisi olması araştırmalarda Ti6-4 malzemesinin tercih sebebi olmasına neden oluyor. Marangoni kuvvetleri soy gaz ve eriyik havuz arasındaki serbest yüzeyde meydana gelirken kaldırma kuvveti kütle kuvvetidir. Laminer ve sıkıştırılamaz kabulleri altında 3 boyutlu sayısal analiz ile etkileri gözlemlenmeye çalışılmıştır. Hem Marangoni hem de kaldırma kuvvetleri sıcaklık ile lineer olarak artması ve prosesin 3500 K mertebelerine kadar çıkması, bu iki kuvvetin etkisini artırmakta ve önemli kılmaktadır. SLE metodunda enerji kaynağı lazer olmakta ve yüzeye yüksek mertebede ısı akısı düşürmektedir. Lazer dağılımı Gauss dağılımı ile modellenmekte ve parçanın içine nüfus ettiği kabul edilmektedir. Lazerden gelen yüksek akısı büyük bir oranda ısı iletimi ile ana malzemeye ve de termal iletimin göreceli düşük olmasından kaynaklı az miktarda olsa da toz katmana akmaktadır. Bunun yanında yüksek sıcaklık bölgelerinde ışıma ve soy gazlar yardımı ile taşınımla ısı kaybı yaşanmaktadır. Soğuma hızı doğrudan malzeme mikro yapısını etkilediği için kontrol altında tutulması istenen başka bir parametredir. Çalışmada elde edilen analiz sonuçları literatürde bulunan test sonuçları ile karşılaştırılıp valide edilmektedir. Bu süreçte proses parametrelerinin, malzemelerin ve makinenin benzerlikleri göz önünde tutulmuştur. Sayısal analiz sonuçları gösterdi ki, enerji yoğunluğunun artması ile akış denklemlerinin öneminin arttığı ve her ne kadar mikro ölçekte bir akış hacmi oluşsa da, bölgesel olarak en yüksek 1.84 m/s hızlarına çıkıldığı görüldü. Düşük enerji yoğunluğunda termomekanik modelleme deneysel sonuçlara yakın değerler verirken, yüksek enerji yoğunluklarında doğal taşınımın daha etkin rol oynamaya başlaması ile doğruluk oranının azaldığı görülmektedir. Özellikle yüzey sıcaklıkları ve eriyik malzeme havuzunun genişliğinde akışın dikkate alınmaması, yüksek enerji yoğunluklarında deneysel sonuçlardan sapmaya yol açmaktadır. Fakat eriyik havuzun derinliği konusunda her iki modelde benzer sonuçlar gösterirken, her iki model ile de kabul edilebilir hata paylarıyla tahmin edilebildiği görülmüştür. Yüksek enerji yoğunlukları yüksek sıcaklık gradyanları oluşturmaktadır tabla üzerinde. Buda aralarında lineer bağlantı olan Marangoni kuvvetlerini artırmakta ve eriyik yüzeyde lazer yönüne dik doğrultuda kuvvete neden olmaktadır. Bu kuvvet sayesinde ısı tablaya lazere dik doğrultuda yayılabilmekte ve eriyik havuzun genişliğini artırmakta ve yüzey sıcaklıklarını azaltmaktadır.
Açıklama
Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2020
Tez (Yüksek Lisans)-- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2020
Anahtar kelimeler
Additive manufacturing, Katmanlı imalat
Alıntı