Eklemeli imalat ile üretilmiş parçaların çok ölçekli sonlu elamanlar modelinin oluşturulması

Abstract

Eklemeli imalatın hızla yaygınlaşması, kullanım alanlarını prototip üretiminden son kullanıcıya yönelik fonksiyonel parçalara genişletmiştir. Ancak, özellikle FDM (Fused Deposition Modelling) yönteminde fonksiyonel parçaların üretimindeki en büyük zorluk, yöntemin malzemeye kazandırdığı karakteristik ve mekanik özelliklerin öngörülmesidir. Bu çalışmada, FDM ile üretilen malzemelerin mekanik özelliklerini tahmin etmek amacıyla Lamina teorisi ve homojenleştirme yöntemleri incelenmiş ve karşılaştırılmıştır. Homojenleştirme yöntemi kapsamında, ham filamentlerin mekanik özellikleri çekme testleriyle belirlenmiş ve temsili hacim elemanları BT (Bilgisayarlı Tomografi) görüntülerinden oluşturulmuştur. Çalışmada, Ultem9085 ve Nylon12CF malzemelerle farklı oryantasyon ve tarama açılarında üretilen çekme numuneleri üzerinde deneyler gerçekleştirilmiştir. BT görüntülerinin analiz edilmesiyle, el çizimiyle oluşturulan temsili hacim elemanlarından elastisite modülü hesaplanmış ve deneysel verilerle maksimum %6,6 sapma ile uyumlu sonuçlar elde edilmiştir. Ayrıca, BT görüntülerinden alınan kesitler, ham halde Digimat FE yazılımı kullanılarak üç farklı ölçekte analiz edilmiştir ve sonuçlar paylaşılmıştır. Lamina teorisiyle yapılan analizlerde, farklı tarama stratejileri için elastisite modülleri hesaplanmış ve deneysel sonuçlarla maksimum %10 sapma ile uyumlu olduğu görülmüştür. Bu çalışma, FDM ile üretilen malzemelerin mekanik davranışlarını anlamak ve tahmin etmek için etkili yöntemler sunmakta ve bu yöntemlerin hassasiyetine dair önemli bulgular ortaya koymaktadır.

The rapid growth of additive manufacturing has expanded its applications from prototyping to functional parts for end-users. However, the greatest challenge in producing functional parts, especially with the FDM method, is predicting the material's properties and mechanical characteristics resulting from the process. This study investigates and compares Classic Lamina Theory and homogenization methods to predict the mechanical properties of materials produced using FDM. Within the scope of the homogenization method, the mechanical properties of raw filaments were determined through tensile tests, and representative volume elements (RVEs) were created from CT images. Experiments were conducted on tensile specimens produced with Ultem 9085 and Nylon 12CF materials using different orientations and raster angles. By analyzing CT images, elastic moduli were calculated from manually drawn RVEs and showed a maximum deviation of 6.6% from experimental results. Additionally, cross-sections CT images obtained from FDM build samples were analyzed in their raw state using Digimat FE software at three different scales. The results showed that error margins varied with scale size. In the application of Lamina Theory, elastic moduli for different raster strategies were calculated and found to deviate by a maximum of 10% from experimental results. This study provides effective methods for understanding and predicting the mechanical behavior of materials produced using FDM and presents significant findings regarding the accuracy of these methods.