Katmanlı imalat süreçlerinde plastik malzemelerin ısı altındaki davranışı ve üretime etkisi

Abstract

Bu doktora tezi, Eriyik Yığma Yöntemi ile parça üretimi sırasındaki zamana bağlı sıcaklık değişimini ayrıntılı olarak incelenmesini bu amaçla geliştirilen bir simülasyon yazılımının geliştirilme ayrıntılarını konu almaktadır. Bu üretim tekniğinin ısıl analizinin yapılmasının nedeni, baskı sırasında katmanlar arası polimer bağların difüzyonunun sıcaklıktan etkileniyor olmasıdır. Üretim sırasında camsı geçiş sıcaklığının altında kalan yerlerde katmanlar tam olarak bağlanamamakta ve üretilen parçanın dayanımı düşün olmaktadır. Eriyik Yığma Yöntemi ile yapılan üç boyutlu baskı sırasındaki sıcaklık değişimlerinin tahmin için kapalı ayrıklaştırma ile sayısal hesaplama yapan bir simülasyon kodu geliştirilmiştir. Sayısal kod geliştirme çalışmaları kapsamında, ısı difüzyonu denkleminin çözümü için ilk olarak iki boyutlu bir analiz kodu geliştirilmiş ve baskı hareketinin sıcaklıklara etkisini gözlemlemek için kullanılmıştır. Ancak, soğuma etkilerini gerçeğe uygun şekilde modellemek için yüksek ve gerçek dışı ısı geçiş katsayılarına ihtiyaç duyulduğundan, kod daha gerçekçi sonuçlar üretebilmek adına üç boyuta taşınmıştır. Bu geçiş, aynı zamanda derinlik yönündeki ısı geçişinin daha etkin analizini sağlamıştır. Geliştirilen üç boyutlu (3D) simülasyon kodunda kapalı şemalar kullanarak yakınsama endişeleri olmadan sonuç vermektedir. Baskı sürecindeki her zaman adımında güncellenmesi gereken sınır şartlarının adaptif bir şekilde hesaplanabilmesi için doluluk fonksiyonu tanımı yapılmıştır. Bu tanım ile baskı yapılmış olan ve henüz baskı yapılmamış olan alanlar arasındaki sınır dinamik olarak güncellenebilir hale gelmiştir. Aynı zamanda, lüle hareket yörüngesinin (baskı deseninin) tanımı için soldan sağa (H1), önden arkaya (H2), sağdan sola (H3) ve arkadan öne (H4) hareket doğrultuları ve bununla ilgili sınır şartı tanımlamaları dinamik olarak güncellenebilecek şekilde kod içine yerleştirilmiştir. Bu durum, farklı baskı desenlerinin kolaylıkla modellenebilmesine imkan sağlamaktadır. 3D simülasyon kodunda kullanılan matematiksel model ve algoritma analitik, sayısal ve deneysel sonuçlarla karşılaştırılarak doğrulanmıştır. Tez kapsamında verilen analitik çalışma ile geliştirilen kod arasında %99'dan fazla uyum gözlenmektedir. Literatürde yer alan deneysel bir çalışma ile kıyaslandığında, termal kamera ile elde edilen sıcaklık dağılımı ile tez kapsamında geliştirilen kodun verdiği sonuçların oldukça yakın olduğu tespit edilmiştir. Aynı literatür çalışmasında sunulan sayısal analiz ile karşılaştırıldığında ise, tez çalışmasında geliştirilen sayısal analiz kodunun literatürdeki sayısal çalışmaya göre deneysel sonuçlara çok daha yakın sonuçlar vermektedir. Geliştirilen yazılım kullanılarak farklı üretim parametrelerinin sıcaklık değişimine etkisi incelenmiştir. Ekstrüzyon sıcaklığı, ortam sıcaklığı, etkin ısı geçişi katsayısı, taban sıcaklığı, katman kalınlığı, baskı deseni gibi üretim parametrelerinin sıcaklık değişimine etkisi irdelenmiştir. Bu analizler sonucunda, etkin ısı geçişi katsayısı ve katman kalınlığı parametrelerinin sıcaklık profilini en fazla etkileyen faktörler olduğu belirlenmiştir. Ayrıca, yerel etkilerin değerlendirilmesi sonucunda, aynı katman içinde farklı noktalardaki sıcaklıkların oldukça benzer değerlerde olduğu ve eksensel simetri özelliği gösterdiği gözlemlenmiştir. Sayısal çalışmalara ek olarak, tez kapsamında 3D baskılar yapılarak numuneler üretilmiş ve bu numunelere çekme testi yapılmıştır. Farklı üretim parametreleri ile üretilen numunelerde baskı parametrelerinin dayanıma etkisi incelenmeye çalışılmıştır. Baskı yapılan numunelerin hepsi yüksek dayanım gösterdiğinden, ekstrüzyon sıcaklığı, ortam sıcaklığı, baskı hızı gibi parametrelerin etkisi ile ilgili bilgi edinilememiştir. Yapılan sayısal analizlerde bu üretim parametrelerinde noktasal sıcaklıkların camsı geçiş sıcaklığının üzerinde seyrettiği tespit edilmiştir. Farklı parametreler ile yüksek dayanım elde edilmesinin en büyük nedeni, sıcaklıkların üretim sırasında camsı geçiş sıcaklığının üzerinde olması ve polimer difüzyonunun kısmi değil tam olarak gerçekleşmesidir. Diğer yandan, çekme testi sonuçlarına göre, katman kalınlığının incelmesi ile dayanımın arttığı görülmüştür. Bunun nedeninin sıcaklık değişimi ile ilgili olmadığı ve elde edilen artışın mekanik etkilerden kaynaklandığı düşünülmektedir. Sonuç olarak, bu tez çalışması kapsamında üç boyutlu baskı sırasında gerçekleşen sıcaklık değişimlerinin zamana bağlı analizini yapabilen üç boyutlu bir ısı geçişi simülasyon kodu geliştirilmiş ve doğrulanmıştır. Bu kod, mekanik bir çözücü ile birleştirildiğinde, 3D yazıcılarla üretilen parçalarda sıkça görülen çarpıklık sorununu üretim öncesinde belirleyebilen ve bu şekilde kalite sorunlarını önleyen bir araç haline getirilebilecek niteliktedir. Bu simülasyon kodunun yüksek ticarileştirme potansiyeli dolayısıyla, simülasyon yazılımının gerçeğe uygun olarak farklı baskı desenlerini kolaylıkla modelleyebilecek ve analiz edebilecek yapıda olmasına özen gösterilmiştir. Geliştirilen yazılımın, gelecekte endüstriyel uygulamalarda doğrudan kullanılarak katmanlı üretim süreçlerinin optimizasyonuna, üretim hızının artırılmasına, malzeme israfının azaltılmasına ve nihai ürün kalitesinin iyileştirilmesine katkı sunması hedeflenmektedir.