Yeni hibrit kafes yapı tasarımlarının yarı statik basma koşullarında mekanik davranışının test ve nümerik yöntemlerle incelenmesi

Abstract

Kafes yapılar, yüksek dayanım ve düşük ağırlık özellikleri sayesinde hafif ve dayanıklı tasarımlara olanak sağlar. Kontrol edilebilir mekanik özellikleri ile havacılık, savunma, otomotiv, sağlık ve spor ekipmanı sektörlerinde kullanılmaktadır. Bu çalışmada “eşkenar dörtgensel on iki yüzlü (RD)”, “iso truss (IT)” ve “dikme ile güçlendirilmiş yüzey merkezli kübik (FCCZ)” birim kafes hücreleri kullanılarak hibrit birim kafes hücreler tasarlanmıştır. Hibrit ve birim kafes hücreler ile eşit bağıl yoğunlukta ve farklı konfigürasyonlarda kenar uzunluğu 30 mm olan kübik kafes yapılar oluşturulmuştur. Polimer kafes yapılar endüstriyel ABS benzeri reçineden UV led ışıkla kürleme (LCD) Eİ yöntemiyle üretilmiştir. Metal kafes yapılar ise Inconel 718 metal tozu kullanılarak toz yatağında seçici lazer ergitme (SLM) Eİ yöntemiyle üretilmiştir. Üretilen kafes yapıların yarı statik basma testi ile kuvvet-basma eğrileri elde edilmiştir. Bu eğrilerden hesaplanan toplam soğurulan enerji (TSE) değerleri kullanılarak birim ve hibrit kafes yapı tasarımlarının mekanik performanslarının karşılaştırması yapılmıştır. Aynı hacim ve eşit bağıl yoğunlukta olan kafes yapılara, birim hücre boyutu ve sayısının etkisi incelenmiştir. Ayrıca, farklı malzemelerden aynı tasarımla üretilmiş kafes yapıların mekanik davranışlarına, malzemenin etkisi araştırılmıştır. Metal kafes yapıların LS-DYNA çoklu fizik sonlu elemanlar analiz (SEA) yazılımı kullanılarak test benzetimleri yapılmış ve kafes yapılarda SEA yönteminin etkinliği değerlendirilmiştir. Bu tez çalışması kapsamında incelenen kafes yapılar için, eşit bağıl yoğunlukta hibrit kafes yapı tasarımlarının mekanik kararlılığının daha iyi olduğu ve enerji soğurma kabiliyetlerini geliştirdiği anlaşılmıştır. Kırılgan ve sünek olmak üzere iki farklı malzemeden aynı tasarımlar ile üretilmiş kafes yapıların benzer mekanik davranış gösterdikleri belirlenmiştir. SEA yöntemleri ile yapılan analizlerin, mekanik özelliklerin incelenmesi için bir yöntem olarak kullanılabileceği görülmüştür. Eİ yöntemlerinin yaygınlaşması ile bu kafes yapıların, konstrüksiyonları hafifletme ve enerji soğurma amacıyla yaygın bir kullanım alanına sahip olacağı düşünülmektedir.

Lattice structures with high strength to low weight ratios allow lightweight and durable structure design. These structures are used in aviation, defense, automotive, medical device and sport equipment industries. In this study, hybrid lattice cells designed using “rhombic dodecahedron (RD)”, “iso truss (IT)” and “rod supported face centered cubic (FCCZ)” unit lattice cells. Hybrid and unit cells were used to design cubic lattice structures that’s edge length is 30 mm with the same relative density and different configurations. Polymer lattice structures were manufactured with industrial ABS like resin by UV led light-curing (LCD) AM method. Metal lattice structures were manufactured with Inconel 718 metal powder by powder bed selective laser melting (SLM) AM method. Quasi static test was applied on printed lattice structures and force-displacement curves of them were made. The total absorbed energy (TSE) values calculated from these curves were used to compare the mechanical performances of unit and hybrid cell lattice structure designs. The unit cell size and number effect on lattice structures with the same volume and relative density was researched. In addition, the effect of material on the mechanical behavior of lattice structures manufactured from different materials with the same design was investigated. Metal lattice structures were simulated using LS-DYNA multiphysics finite element analysis (FEA) software and the effectiveness of the FEA method on lattice structures was evaluated. For the lattice structures investigated in this thesis, it was found that hybrid lattice structure designs with the same relative density have better mechanical stability and enhanced energy absorption capabilities. It has been determined that the lattice structures manufactured from two different materials, brittle and ductile, with the same designs show similar mechanical behavior. It was seen that analyses performed by SEA methods can be used as a method for the investigation of mechanical properties. With the widespread use of AM methods, hybrid lattice structures can be widely used to lightweight design and energy absorption