i YENİ HİBRİT KAFES YAPI TASARIMLARININ YARI STATİK BASMA KOŞULLARINDA MEKANİK DAVRANIŞININ TEST VE NÜMERİK YÖNTEMLERLE İNCELENMESİ Hüseyin YAŞAR ii T.C. BURSA ULUDAĞ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ YENİ HİBRİT KAFES YAPI TASARIMLARININ YARI STATİK BASMA KOŞULLARINDA MEKANİK DAVRANIŞININ TEST VE NÜMERİK YÖNTEMLERLE İNCELENMESİ Hüseyin YAŞAR 0000-0002-3742-2042 Prof. Dr. Kadir ÇAVDAR 0000-0001-9126-0315 (Danışman) DOKTORA TEZİ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI BURSA – 2025 Her Hakkı Saklıdır iii TEZ ONAYI Hüseyin YAŞAR tarafından hazırlanan “YENİ HİBRİT KAFES YAPI TASARIMLARININ YARI STATİK BASMA KOŞULLARINDA MEKANİK DAVRANIŞININ TEST VE NÜMERİK YÖNTEMLERLE İNCELENMESİ” adlı tez çalışması aşağıdaki jüri tarafından oy birliği ile Bursa Uludağ Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Makine Mühendisliği Anabilim Dalı’nda DOKTORA TEZİ olarak kabul edilmiştir. Danışman: Prof. Dr. Kadir ÇAVDAR Başkan : Prof. Dr. Ali ORAL 0000-0002-9144-3821 Balıkesir Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Konstrüksiyon ve İmalat Anabilim Dalı İmza Üye : Prof. Dr. Kadir ÇAVDAR 0000-0001-9126-0315 Bursa Uludağ Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Konstrüksiyon ve İmalat Anabilim Dalı İmza Üye : Prof. Dr. Murat REİS 0000-0001-5853-488X Bursa Uludağ Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Mekanik Anabilim Dalı İmza Üye : Doç. Dr. Oğuz DOĞAN 0000-0003-4203-8237 Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi, Mühendislik Mimarlık Fakültesi, Konstrüksiyon ve İmalat Anabilim Dalı İmza Üye : Dr. Öğr. Üyesi Mehmet AKANSEL 0000-0002-4924-7587 Bursa Uludağ Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Endüstri Mühendisliği Anabilim Dalı İmza Yukarıdaki sonucu onaylarım Prof. Dr. Ali KARA Enstitü Müdürü ../../…. iv B.U.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü tez yazım kurallarına uygun olarak hazırladığım bu tez çalışmasında; − tez içindeki bütün bilgi ve belgeleri akademik kurallar çerçevesinde elde ettiğimi, − görsel, işitsel ve yazılı tüm bilgi ve sonuçları bilimsel ahlak kurallarına uygun olarak sunduğumu, − başkalarının eserlerinden yararlanılması durumunda ilgili eserlere bilimsel normlara uygun olarak atıfta bulunduğumu, − atıfta bulunduğum eserlerin tümünü kaynak olarak gösterdiğimi, − kullanılan verilerde herhangi bir tahrifat yapmadığımı, − ve bu tezin herhangi bir bölümünü bu üniversite veya başka bir üniversitede başka bir tez çalışması olarak sunmadığımı beyan ederim. 27/01/2025 Hüseyin YAŞAR v TEZ YAYINLANMA FİKRİ MÜLKİYET HAKLARI BEYANI Enstitü tarafından onaylanan lisansüstü tezin/raporun tamamını veya herhangi bir kısmını, basılı (kâğıt) ve elektronik formatta arşivleme ve aşağıda verilen koşullarla kullanıma açma izni Bursa Uludağ Üniversitesi’ne aittir. Bu izinle Üniversiteye verilen kullanım hakları dışındaki tüm fikri mülkiyet hakları ile tezin tamamının ya da bir bölümünün gelecekteki çalışmalarda (makale, kitap, lisans ve patent vb.) kullanım hakları tarafımıza ait olacaktır. Tezde yer alan telif hakkı bulunan ve sahiplerinden yazılı izin alınarak kullanılması zorunlu metinlerin yazılı izin alınarak kullandığını ve istenildiğinde suretlerini Üniversiteye teslim etmeyi taahhüt ederiz. Yükseköğretim Kurulu tarafından yayınlanan “Lisansüstü Tezlerin Elektronik Ortamda Toplanması, Düzenlenmesi ve Erişime Açılmasına İlişkin Yönerge” kapsamında, yönerge tarafından belirtilen kısıtlamalar olmadığı takdirde tezin YÖK Ulusal Tez Merkezi / B.U.Ü. Kütüphanesi Açık Erişim Sistemi ve üye olunan diğer veri tabanlarının (Proquest veri tabanı gibi) erişimine açılması uygundur. Prof. Dr. Kadir ÇAVDAR Hüseyin YAŞAR vi BURSA ULUDAĞ ÜNİVERSİTESİ LİSANSÜSTÜ TEZ TANITIMI ÖĞRENCİ VE DANIŞMAN FORMU FR 3.4.6_27 BURSA ULUDAĞ ÜNİVERSİTESİ DOKTORA EĞİTİMİ BOYUNCA BİLİMSEL ÇALIŞMALARI VE FAALİYETLERİ* 1. Cavdar, F., Yasar, H. & Cavdar, K. (2020). Effect of the welding parameters on the surface morphology of resistance spot welded AISI 304 stainless steel joints. Materials Testing, 62(7), 739-743. https://doi.org/10.3139/120.111542 2. Yaşar, H., Çavdar, K., Şahin, U. O., Çavdar, F. Y. (2019). Değişik kaynak elektrotları kullanılarak yapılan direnç nokta kaynaklı AISI 304 paslanmaz çelik sacların kaynak izi görüntüsü ve kaynak parametrelerinin mekanik özelliklere etkisi. Uludağ Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Dergisi, 24(2), 499-516. https://doi.org/10.17482/uumfd.505472 3. Çavdar, K., Karataş, M., & Yaşar, H. (2020). Ada tipi solenoid valflerde akış analizi yardımı ile tasarım parametrelerinin belirlenmesi. Mühendis ve Makina, 61(698), 46-56. https://doi.org/10.46399/muhendismakina.750641 4. Bayram, A., Akarcay, E. & Yasar, H. (2020). Ticarı̇ araçlar için bir kargo kapı menteşesi (Patent No: TR202003905A2). Türk Patent ve Marka Kurumu. https://portal.turkpatent.gov.tr/anonim/arastirma/patent/sonuc/dosya?patentA ppNo=2020/03905&documentsTpye=all 5. Demir, E., Yasar, H., Guzeldal, H., Candan, F. & Ugur, A. (2020). Bilyeli durdurucuya sahip bir menteşe (Faydalı Model No: 202018200). Türk Patent ve Marka Kurumu. https://portal.turkpatent.gov.tr/anonim/arastirma/patent/sonuc/dosya?patentA ppNo=2020/18200&documentsTpye=all *Makaleler, Bilimsel toplantılarda sunulan bildiriler, patentler, projeler, eğitimler vb. faaliyetler sıralanmalıdır. DANIŞMAN Adı SOYADI: Kadir ÇAVDAR ÜNVANI : Prof. Dr. FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ ABD E-POSTA : cavdar@uludag.edu.tr YÖKSİS ARAŞTIRMACI ID: 156692 ORCID : 0000-0001-9126-0315 TÜBİTAK ID : TBTK-0005-4921 WOS RESEARCHER ID : A-4627-2018 SCOPUS AUTHOR ID : 56242537600 Google Scholar ID : KOcbORwAAAAJ ÖĞRENCİ Adı SOYADI: Hüseyin YAŞAR ÜNVANI : Makine Yüksek Mühendisi FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ ABD E-POSTA : huseyinnyasar@outlook.com PROGRAMI : DOKTORA ORCID : 0000-0002-3742-2042 TÜBİTAK ID : TBTK-0059-1145 WOS RESEARCHER ID : KVA-6664-2024 SCOPUS AUTHOR ID : 59502386900 Google Scholar ID : AoAbqsQAAAAJ https://doi.org/10.3139/120.111542 BİRLEŞMİŞ MİLLETLER SÜRDÜRÜLEBİLİR KALKINMA HEDEFLERİ vii Metamaterials Additive Manufacturing Energy Absorption viii ÖZET Doktora Tezi YENİ HİBRİT KAFES YAPI TASARIMLARININ YARI STATİK BASMA KOŞULLARINDA MEKANİK DAVRANIŞININ TEST VE NÜMERİK YÖNTEMLERLE İNCELENMESİ Hüseyin YAŞAR Bursa Uludağ Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Makine Mühendisliği Anabilim Dalı Danışman: Prof. Dr. Kadir ÇAVDAR 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. Anahtar Kelimeler: Hibrit kafes yapılar, eklemeli imalat, enerji soğurma, yarı statik basma testi, nümerik analiz 2025, xvi+ 120 sayfa. ix ABSTRACT PhD Thesis INVESTIGATION OF MECHANICAL BEHAVIOR OF NOVEL HYBRID LATTICE STRUCTURE DESIGNS UNDER QUASI STATIC COMPRESSION CONDITIONS WITH TEST AND NUMERICAL METHODS Hüseyin YAŞAR Bursa Uludağ University Graduate School of Natural and Applied Sciences Department of Mechanical Engineering Supervisor: Prof. Dr. Kadir ÇAVDAR 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. Key words: Hybrid lattice structures, additive manufacturing, energy absorption, quasi static compression test, numerical analysis 2025, xvi + 120 pages. x TEŞEKKÜR Akademik hayatım boyunca, lisans öğrenimimden başlayarak bu zamana kadar geçen süreçte, sadece bir öğrenim sürecinden ziyade eğitimime ve kişisel gelişimime de her daim katkısı olan, bilgi ve tecrübesiyle her aşamada yol gösteren, beni her zaman cesaretlendiren değerli danışmanım Prof. Dr. Kadir Çavdar’a teşekkürlerimi sunarım. Tez çalışması boyunca verdikleri görüşlerle daha nitelikli bir çalışmanın ortaya çıkmasına destek olan Prof. Dr. Ali Durmuş ve Dr. Öğr. Üyesi Mehmet Akansel’e teşekkür ederim. Tez çalışması kapsamında polimer test parçalarının üretilmesinde her türlü desteği veren ALIAS Reçine markası ile üretim yapan Dokuz Kimya ARGE firmasına ve çalışanlarına; metal test parçalarının üretilmesinde hem toz hem de yazıcı üreticisi olan Ermaksan Additive firmasına ve çalışanlarına verdikleri desteklerden ötürü teşekkür ederim. Mikroskop kullanımı için destek veren MMO Kaynak Eğitim ve Muayene Merkezi’ne ve değerli arkadaşlarım Dr. Ersan Gönül ve Yüksek Makine Mühendisi Burak Bayraktaroğlu’na teşekkür ederim. Bilgi ve tecrübelerini hiçbir zaman paylaşmaktan çekinmeyen, testler ve yazılımlar konusunda destek veren Dr. Mesut Şahin’e, LS-DYNA yazılımındaki destekleri için iş arkadaşım Yüksek Makine Mühendisi Yasin Gargı’ya, testlerin icra edilmesinde destek olan Makine Mühendisi Kadir Ayaş’a teşekkür ederim. Anova ARGE Teknolojileri ve çalışmakta olduğum yeni oluşumu Harpax Sistem Teknolojileri firmalarına akademik çalışmalar için verdikleri desteklerden ötürü teşekkür ederim. İş ve akademik çalışmalarımda sürekli yanımda olan ve tecrübelerini her daim paylaşan değerli yöneticim Doç. Dr. Bülent Özkan’a teşekkür ederim. Kendisi de akademik çalışmalara devam eden ekip arkadaşım Yüksek Makine Mühendisi Ensar Tütüncü’ye ve diğer çalışma arkadaşlarıma teşekkür ederim. Hayatım boyunca desteklerini her zaman gördüğüm, değerli annem, babam, ablalarım ve eşlerine; sonradan hayatımıza giren ve neşe kaynağımız yeğenim İlkan’a teşekkür ederim. Son olarak bana her zaman iyi hissettiren kedim Karakız’a teşekkür ederim. 27/01/2025 Hüseyin YAŞAR xi İÇİNDEKİLER Sayfa ÖZET.............................................................................................................................. viii ABSTRACT ..................................................................................................................... ix TEŞEKKÜR ...................................................................................................................... x SİMGELER ve KISALTMALAR DİZİNİ ..................................................................... xii ŞEKİLLER DİZİNİ ........................................................................................................ xiii ÇİZELGELER DİZİNİ ................................................................................................. xvii 1. GİRİŞ ............................................................................................................................ 1 2. KURAMSAL TEMELLER ve KAYNAK ARAŞTIRMASI ...................................... 4 2.1. Kafes Yapılar ............................................................................................................. 4 2.1.1. Kafes yapıların sınıflandırılması ........................................................................... 6 2.1.2. Kafes yapı parametreleri ve mekanik özellikler .................................................. 12 2.1.3. Uygulama alanları ............................................................................................... 18 2.2. Eklemeli İmalat ........................................................................................................ 20 2.3. Kaynak Araştırması ................................................................................................. 25 3. MATERYAL ve YÖNTEM ....................................................................................... 32 3.1. Kafes Yapı Tasarımları ............................................................................................ 32 3.2. Polimer Kafes Yapılar, Malzeme Özellikleri ve Üretimi ........................................ 36 3.3. Metal Kafes Yapılar, Malzeme Özellikleri ve Üretimi ............................................ 41 3.4. Yarı Statik Basma Testleri ....................................................................................... 46 3.5. Nümerik Analiz Çalışmaları .................................................................................... 48 4. BULGULAR .............................................................................................................. 56 4.1. Test Numunelerinin Üretim Sonrası Değerlendirilmesi .......................................... 56 4.2. Basma Testi Sonuçları ............................................................................................. 63 4.3. Nümerik Analiz Sonuçları ....................................................................................... 81 5. SONUÇLAR ve TARTIŞMA .................................................................................... 93 EK 1 TEST ÇALIŞMALARI........................................................................................ 103 xii SİMGELER ve KISALTMALAR DİZİNİ Simgeler Açıklama σA Akma gerilmesi ρ∗ Bağıl yoğunluk dk Dakika E Elastisite modülü σ Gerilme V Hacim F Kuvvet m Kütle μm Mikrometre nm Nanometre N Newton ν Poisson oranı sa Saat s Saniye °C Santigrat derece ρ Yoğunluk Kısaltmalar Açıklama ASTM American Society for Testing and Materials ABS Akrilonitril bütadien stiren CAD Bilgisayar Destekli Tasarım Eİ Eklemeli İmalat FCCZ Dikme ile güçlendirilmiş yüzey merkezli kübik (face centered cubic with axial strut) GMK Gövde Merkezli Kübik IT Iso truss ÖSE Özgül Soğurulan Enerji RD Eşkenar dörtgensel on iki yüzlü (rhombic dodecahedron) SLA Stereolitografi STL Standard Tessellation Language/ Standard Triangle Language TPMS ÜPMY (Üçlü periyodik minimum yüzey) TSE Toplam Soğurulan Enerji xiii ŞEKİLLER DİZİNİ Sayfa Şekil 2.1. Hücresel yapıların sınıflandırılması (Park vd., 2022) .. ......................... 5 Şekil 2.2. Örnek kafes yapılar; a) gözlemlenen ilk hücre b) bal peteği yapısı c) kemik dokusu d) uzay kafes yapı (Leary, 2020a) ................................. 5 Şekil 2.3. 2B örnek kafes yapılar, a) bal peteği b) üçgen c) kare (Yin vd., 2023) 7 Şekil 2.4. 3B kiriş kafes yapılar, a) sekizli b) elmas c) kübik (Yin vd., 2023) ..... 7 Şekil 2.5. ÜPMY kafes yapılar, a) girodial b) primitiv c) diamond (Yin vd., 2023) ...................................................................................................... 8 Şekil 2.6. 3B plaka kafes yapılar, a) sekizli b) basit kübik c) HMK (Yin vd., 2023) ...................................................................................................... 9 Şekil 2.7. Örnek 2B ökzetik yapılar (Xue vd., 2023) ............................................ 9 Şekil 2.8. Örnek gradyan kafes yapılar (Bai vd., 2020) ........................................ 10 Şekil 2.9. 2B hiyerarşik kafes yapı örneği (Tsang vd., 2019) ............................... 11 Şekil 2.10. Birim hücrelerden oluşturulan hibrit birim hücre (L. Li vd., 2022) ...... 11 Şekil 2.11. Farklı birim hücre dizilimine örnek hibrit kafes yapılar, a) Yang vd. (2023), b) Syrlybayev vd. (2023) .......................................................... 12 Şekil 2.12. Eğilme ve gerinme baskın yapı örnekleri (Leary, 2020a) ..................... 14 Şekil 2.13. Eğilme baskın yapı karakteristik gerilme-gerinim eğrisi (Ashby, 2006) 15 Şekil 2.14. Gerinme baskın yapı karakteristik gerilme-gerinim eğrisi (Ashby, 2006) ...................................................................................................... 15 Şekil 2.15 Eğilme ve gerinme baskın yapı karakteristik hasar ilerlemesi (Leary, 2020a).................................................................................................... 16 Şekil 2.16. 5x5x5 konfigürasyonunda GMK Kafes Yapı ........................................ 17 Şekil 2.17. Enerji soğurma özellikleri (Ha & Lu, 2020) ......................................... 17 Şekil 2.18. STL dosyası oluşturma adımları (Rasiya vd., 2020) ............................. 20 Şekil 2.19. Ürün geliştirme döngüsü (Wong & Hernandez, 2012) ......................... 21 Şekil 2.20. Temel üretim yöntemleri (Leary, 2020b) .............................................. 21 Şekil 2.21. Eklemeli imalatın sınıflandırılması (Saleh Alghamdi vd., 2021) .......... 24 Şekil 2.22. Hibrit kafes yapının tasarım stratejisi (Ma vd., 2023) ........................... 25 Şekil 2.23. Hibrit kafes hücre konfigürasyonu (Xiao vd., 2022)............................. 26 Şekil 2.24. Hibrit kafes yapının enerji soğurma özellikleri (Xiao vd., 2022) ......... 26 Şekil 2.25. Hibrit kafes yapıların tasarım yöntemleri (Wu vd., 2023) .................... 27 Şekil 2.26. Novak vd. (2023) araştırmalarında kullanılan test numuneleri ............. 27 Şekil 2.27 Hibrit kafes yapı tasarımları (Kladovasilakis vd., 2023)....................... 28 Şekil 2.28 Hibrit birim kafes hücre tasarımı (Cui vd., 2024) ................................. 29 Şekil 2.29 Hibrit kafes yapı tasarımı (L. Li vd., 2024) .......................................... 30 Şekil 3.1. FCCZ, RD ve IT birim kafes hücreler (Soldan sağa) ............................ 32 Şekil 3.2. RDIT hibrit birim kafes hücrenin tasarımı ............................................ 33 Şekil 3.3. RDFC hibrit birim kafes hücrenin tasarımı ........................................... 33 Şekil 3.4. Eklemeli imalat yöntemleri, a) SLA b) DLP/ LCD (Y. Wu vd., 2023) 36 Şekil 3.5. Rayshape Edge1 LCD 3B yazıcı ........................................................... 37 Şekil 3.6. Polimer kafes yapı üretimi .................................................................... 38 Şekil 3.7. ASTM D698 Tip I plastik çekme testi numunesi ölçüleri .................... 38 Şekil 3.8. Çekme testi numuneleri ve üretim yönleri, a) tablaya paralel üretim yönü, b) tablaya dik üretim yönü .......................................................... 39 xiv Şekil 3.9. Polimer malzeme çekme testi ................................................................ 39 Şekil 3.10. ABS benzeri polimer malzeme gerilme-birim şekil değiştirme grafikleri, a) tablaya paralel üretim yönü, b) tablaya dik üretim yönü .. 40 Şekil 3.11. Toz yatağında ergitme eklemeli imalat yöntemi (Benedetti vd., 2021) 41 Şekil 3.12. ENAVISION120 toz yatağında lazerle ergitme 3B yazıcı .................... 42 Şekil 3.13. Metal kafes yapı üretimi ........................................................................ 43 Şekil 3.14. Inconel 718 malzeme tablaya dik üretim yönü gerilme-birim şekil değiştirme grafiği .................................................................................. 44 Şekil 3.15. UVE MNR100 100 kN (sol) ve Zwick Roell 300 kN (sağ) kapasiteli üniversal test cihazları ........................................................................... 46 Şekil 3.16. Test cihazı numune yerleşimi ................................................................ 47 Şekil 3.17. Video kayıt cihazı ve sabitleme düzeneği ............................................. 47 Şekil 3.18. RD kafes yapı tasarım ve üretim çapları ............................................... 48 Şekil 3.19. RD kafes yapı analizi için hazırlanan örnek katı model ........................ 49 Şekil 3.20. Dört yüzlü (tetrahedron) ve altı yüzlü (hexahedron) elemanlar ............ 49 Şekil 3.21. RD kafes yapı örnek nümerik analiz modeli ve ağ yapısı ..................... 50 Şekil 3.22. Inconel 718 gerçek gerilme-plastik birim şekil değiştirme eğrisi ......... 51 Şekil 3.23. RD kafes yapı için farklı eleman boyutları görünümü .......................... 52 Şekil 3.24. Eleman boyutlarına göre SEA kuvvet-basma eğrileri ........................... 53 Şekil 3.25. 2 mm basma durumu için farklı eleman boyutlarında kuvvet değerleri 53 Şekil 3.26. Eleman formülasyonlarına göre SEA kuvvet-basma eğrileri ................ 54 Şekil 3.27. Farklı eleman formülasyonları ile çözülen analizlerin kuvvet-basma eğrileri ................................................................................................... 54 Şekil 4.1. Üretilmiş RD, IT ve RDIT polimer (P) kafes yapılar ........................... 57 Şekil 4.2. Üretilmiş RD, FC ve RDFC polimer (P) ve metal (M) kafes yapılar ... 58 Şekil 4.3. Stereo mikroskop, ölçüm numunesi ve kalibrasyon bloğu ................... 58 Şekil 4.4. Stereo mikroskop ölçek kalibrasyonu ................................................... 59 Şekil 4.5. Stereomikroskop verisinin Image J yazılımı ile ölçüm yöntemi ........... 59 Şekil 4.6. Stereomikroskop görüntüleri a) FC-M1 b) FC-P1 ................................ 60 Şekil 4.7. Hassas terazide kafes yapı kütle ölçümü ............................................... 61 Şekil 4.8. RD, IT ve RDIT 4x4x4 polimer kafes yapı ezilme davranışları ........... 64 Şekil 4.9. RD, IT ve RDIT 4x4x4 polimer kafes yapı kuvvet-basma grafikleri ... 64 Şekil 4.10. RD, IT ve RDIT 4x4x4 polimer kafes yapı TSE ve E değerleri ........... 65 Şekil 4.11. RD, IT ve RDIT 3x3x3 polimer kafes yapı ezilme davranışları ........... 65 Şekil 4.12. RD, IT ve RDIT 3x3x3 polimer kafes yapı kuvvet-basma grafikleri ... 66 Şekil 4.13. RD, IT ve RDIT polimer kafes yapı TSE ve E değerleri ...................... 66 Şekil 4.14. RD, IT ve RDIT 2x2x2 polimer kafes yapı ezilme davranışları ........... 67 Şekil 4.15. RD, IT ve RDIT 2x2x2 polimer kafes yapı kuvvet-basma grafikleri ... 67 Şekil 4.16. RD, IT ve RDIT 2x2x2 polimer kafes yapı TSE ve E değerleri ........... 67 Şekil 4.17. RD, IT ve RDIT 2x2x2 içi boş kiriş polimer kafes yapı ezilme davranışları ............................................................................................ 68 Şekil 4.18. RD, IT ve RDIT 2x2x2 içi boş kiriş kafes yapı kuvvet-basma grafikleri 68 Şekil 4.19. RD, IT ve RDIT 2x2x2 içi boş kiriş polimer kafes yapı TSE ve E değerleri ................................................................................................. 69 Şekil 4.20. RD, FC ve RDFC 4x4x4 polimer kafes yapı ezilme davranışları ......... 69 Şekil 4.21. RD, FC ve RDFC 4x4x4 polimer kafes yapı kuvvet-basma grafikleri . 70 Şekil 4.22. RD, FC ve RDFC 4x4x4 polimer kafes yapı TSE ve E değerleri ......... 70 xv Şekil 4.23. RD, FC ve RDFC 4x4x4 metal kafes yapı ezilme davranışları ............ 71 Şekil 4.24. RD, FC ve RDFC 4x4x4 metal kafes yapı kuvvet-basma grafikleri ..... 71 Şekil 4.25. RD, IT ve RDIT 2x2x2 metal kafes yapı TSE ve E değerleri ............... 72 Şekil 4.26. RD polimer kafes yapı farklı dizilimlerde ezilme davranışları ............. 73 Şekil 4.27. RD polimer kafes yapı farklı dizilimlerde kuvvet-basma grafikleri ..... 73 Şekil 4.28. RD polimer kafes yapı farklı dizilimlerde TSE ve E değerleri ............. 74 Şekil 4.29. IT polimer kafes yapı farklı dizilimlerde ezilme davranışları ............... 74 Şekil 4.30. IT polimer kafes yapı farklı dizilimlerde kuvvet-basma grafikleri ....... 75 Şekil 4.31. IT polimer kafes yapı farklı dizilimlerde TSE ve E değerleri ............... 75 Şekil 4.32. RDIT polimer kafes yapı farklı dizilimlerde ezilme davranışları ......... 76 Şekil 4.33. RDIT polimer kafes yapı farklı dizilimlerde kuvvet-basma grafikleri . 76 Şekil 4.34. RDIT polimer kafes yapı farklı dizilimlerde TSE ve E değerleri ......... 77 Şekil 4.35. Farklı malzemelerle üretilmiş aynı tasarımların ezilme davranışları .... 77 Şekil 4.36. Farklı malzemelerle üretilmiş aynı tasarımların kuvvet-basma grafikleri ................................................................................................ 78 Şekil 4.37. Farklı malzemelerle üretilmiş aynı tasarımların ÖSE değerleri ............ 79 Şekil 4.38. Farklı birim hücrelerden oluşturulmuş 4x4x4 yapıların kuvvet-basma grafikleri ................................................................................................ 79 Şekil 4.39. Farklı birim hücrelerden oluşturulmuş 4x4x4 yapıların ezilme davranışları ............................................................................................ 80 Şekil 4.40. Farklı birim hücrelerden oluşturulmuş 4x4x4 yapıların TSE ve E değerleri ................................................................................................. 80 Şekil 4.41. RD-M1 kafes yapısı test ve ÜÇ analiz sonrası ezilme durumları ......... 81 Şekil 4.42. RD-M1 seçici lazer ergitme üretim çalışması, destek yapılar ............... 81 Şekil 4.43. RD-M1 test ve analiz kuvvet-basma grafikleri ..................................... 82 Şekil 4.44. RD-M1 test ve analiz TSE ve E değerleri ............................................. 82 Şekil 4.45. FC-M1 kafes yapısı test ve ÜÇ analiz sonrası ezilme durumları .......... 83 Şekil 4.46. FC-M1 test ve analiz kuvvet-basma grafikleri ...................................... 83 Şekil 4.47. FC-M1 kafes yapısı ÜÇ analiz sonuçları, 12 mm basma efektif plastik gerinim durumları .................................................................................. 84 Şekil 4.48. Inconel 718 için oluşturulmuş malzeme kartı ve hata kriteri ................ 85 Şekil 4.49. Hata kriteri (HK) değerlerinin karşılaştırılması .................................... 85 Şekil 4.50. RD-M1 hata kriteri (HK) tanımlanmış durum için analiz sonuçları ..... 86 Şekil 4.51. RD-M1 test ve analiz çalışması TSE değerleri (Hata kriteri eklenmiş) 86 Şekil 4.52. RD-M1 test ve analiz çalışması basma miktarına göre TSE değerleri .. 87 Şekil 4.53. FC-M1 kafes yapısı test ve ÜÇ analiz sonrası ezilme durumları .......... 87 Şekil 4.54. FC-M1 hata kriteri (HK) tanımlanmış durum için analiz sonuçları ...... 88 Şekil 4.55. FC-M1 test ve analiz çalışması TSE ve E değerleri (Hata kriteri eklenmiş) 88 Şekil 4.56. FC-M1 test ve analiz çalışması basma miktarına göre TSE değerleri .. 88 Şekil 4.57. RDFC-M1 kafes yapısı test ve ÜÇ analiz sonrası ezilme durumları .... 89 Şekil 4.58. RDFC-M1 test ve analiz çalışması TSE ve E değerleri ........................ 89 Şekil 4.59 RDFC-M1 hata kriteri (HK) tanımlanmış durum için analiz sonuçları 90 Şekil 4.60 RDFC-M1 test ve analiz çalışması basma miktarına göre TSE değerleri ................................................................................................. 90 Şekil 4.61 FC-M1 analiz modelleri, a) Z yönü b) X-Y yönü ................................. 91 Şekil 4.62 RDFC-M1 analiz modelleri, a) Z yönü b) X-Y yönü ............................ 91 xvi Şekil 4.63 FC-M1 ve RDFC-M1 farklı yönlerde analiz sonuçları ......................... 91 Ek Şekil 1. RD-P1 kafes yapı basma testi sonuçları ................................................ 103 Ek Şekil 2. IT-P1 kafes yapı basma testi sonuçları .................................................. 104 Ek Şekil 3. RDIT-P1 kafes yapı basma testi sonuçları ............................................ 105 Ek Şekil 4. RD-P2 kafes yapı basma testi sonuçları ................................................ 106 Ek Şekil 5. IT-P2 kafes yapı basma testi sonuçları .................................................. 107 Ek Şekil 6. RDIT-P2 kafes yapı basma testi sonuçları ............................................ 108 Ek Şekil 7. RD-P3 kafes yapı basma testi sonuçları ................................................ 109 Ek Şekil 8. IT-P3 kafes yapı basma testi sonuçları .................................................. 110 Ek Şekil 9. RDIT-P3 kafes yapı basma testi sonuçları ............................................ 111 Ek Şekil 10. RD-P4 kafes yapı basma testi sonuçları ................................................ 112 Ek Şekil 11. IT-P4 kafes yapı basma testi sonuçları .................................................. 113 Ek Şekil 12. RDIT-P4 kafes yapı basma testi sonuçları ............................................ 114 Ek Şekil 13. FC-P1 kafes yapı basma testi sonuçları ................................................. 115 Ek Şekil 14. RDFC-P1 kafes yapı basma testi sonuçları ........................................... 116 Ek Şekil 15. RD-M1 kafes yapı basma testi sonuçları ............................................... 117 Ek Şekil 16. FC-M1 kafes yapı basma testi sonuçları ............................................... 118 Ek Şekil 17. RDFC-M1 kafes yapı basma testi sonuçları .......................................... 119 xvii ÇİZELGELER DİZİNİ Sayfa Çizelge 2.1. Birim kafes hücre çeşitleri (Yin vd., 2023) ........................................ 6 Çizelge 2.2. Kafes yapıların kullanım alanları ve özellikleri (Plessis vd., 2022) ... 19 Çizelge 2.3. Eİ yöntemleri güçlü-zayıf yönler (Ali vd., 2022; Y. Wu vd., 2023) .. 23 Çizelge 3.1. Tasarımı yapılan birim ve hibrit hücrelerin mekanik davranışları ...... 34 Çizelge 3.2. RD, IT birim hücre ve RDIT hibrit kafes yapı tasarımları ................. 35 Çizelge 3.3. RD, FC ve RDFC kafes yapı tasarımları ............................................ 35 Çizelge 3.4. Polimer kafes yapıların üretim parametreleri ..................................... 38 Çizelge 3.5. ABS benzeri polimer tablaya paralel üretim yönü çekme test verileri 40 Çizelge 3.6. ABS benzeri polimer tablaya dik üretim yönü çekme test verileri ..... 40 Çizelge 3.7. ASTM F3055 UNS N07718 malzeme kompozisyonu ....................... 43 Çizelge 3.8. Metal kafes yapıların üretim parametreleri ......................................... 44 Çizelge 3.9. Inconel 718 tablaya dik üretim yönü çekme test verileri .................... 45 Çizelge 3.10. Metal kafes yapılar tasarım ve üretim çapı değerleri .......................... 48 Çizelge 3.11. Inconel 718 malzeme mekanik özellikleri .......................................... 51 Çizelge 3.12. Inconel 718 gerçek gerilme- plastik birim şekil değiştirme değerleri 51 Çizelge 3.13. Rijit plaka malzeme özellikleri ........................................................... 51 Çizelge 3.14 SEA modelleri ..................................................................................... 55 Çizelge 4.1. Polimer kafes yapıların stereomikroskop ile ölçüm sonuçları ............ 60 Çizelge 4.2. Metal kafes yapıların stereomikroskop ile ölçüm sonuçları ............... 61 Çizelge 4.3. Polimer kafes yapı test numunelerinin tasarım ve ölçüm kütleleri ..... 62 Çizelge 4.4. Metal kafes yapı test numunelerinin tasarım ve ölçüm kütleleri ........ 62 1 1. GİRİŞ Kafes yapılar; havacılık, uzay, savunma, otomotiv ve biyomedikal gibi sektörlerde hızlı geliştirme ve ayarlanabilir özellikleri sayesinde hafif yapı tasarımları, insan vücuduna uyumlu implantlar, çarpışma enerjisi soğurma, paketleme, ısı yönetimi, titreşim sönümleme, filtreleme ve ses yalıtımı gibi pek çok uygulamada kullanılmaktadır (Miao vd., 2024). Kafes yapılar ile ilgili çalışmalara bakıldığında, farklı tasarım yaklaşımları, çeşitli malzemelerin kafes yapılarda uygulaması, eklemeli imalat yöntemleri ve son işlemlerinin etkinliği, nümerik analiz yaklaşımları ve farklı yükleme koşulları altında davranışları incelenmektedir. Düşük kütlelerde üretilebilen kafes yapılar, yüksek enerji soğurma kabiliyetleri ve kullanılacağı bölge için uygulamaya yönelik tasarlanabilir özellikleri sayesinde, yük taşıma, çarpışma ve mekanik şok ortamlarında kullanılmaktadır. Kafes yapıların mekanik özelliklerinin belirlenmesi, enerji soğurma özellikleri, dinamik ve statik yükler altında davranışları üzerine yapılan çalışmalar bulunmaktadır (Maconachie vd., 2020; Niutta vd., 2022; Tancogne-Dejean vd., 2016; T. Zhang vd., 2023). Kafes yapılar ile ilgili güncel çalışma konularından biri ise hibrit kafes yapı tasarımlarıdır. Hibrit kafes yapı ifadesi genel bir tanım olup, farklı şekillerde ele alınabilir. Bunlardan biri iki farklı malzemenin tek yapıda kullanıldığı kafes yapılardır (W. Wu vd., 2023; J. Zhang vd., 2024). Bir diğer hibrit kafes yapı tanımı ise farklı iki veya daha fazla birim kafes hücrenin bir hacim içinde çeşitli konfigürasyonlarda dizilimidir (C. Li vd., 2022; P. Zhang vd., 2021). Bu çalışmada da yer alan hibrit kafes yapının diğer bir tanımı ise, iki farklı birim kafes hücrenin birleştirilmesi sonucunda ortaya çıkan yeni birim kafes hücre ile oluşturulan kafes yapılar olarak tanımlanmaktadır (Akbay & Bahçe, 2024; Kladovasilakis vd., 2023). Eklemeli imalat teknolojisi son yıllarda hızlı gelişmekte ve yaygınlaşmaktadır. Geleneksel imalat yöntemleri ile üretilmesi zor yapıların eklemeli imalat usullerini kullanarak üretilmesi mümkündür. Ayrıca eklemeli imalat yöntemlerinin esnek tasarım avantajının yanında en büyük potansiyellerinden biri daha az malzeme kullanarak daha dayanıklı yapılar elde etme imkanıdır (Ngo vd., 2018). Bu potansiyelin kullanılması için eklemeli imalat teknolojileri ile üretilen kafes yapılar üzerine pek çok çalışma yapılmaktadır (Seharing vd., 2020). 2 Bu tez çalışması, hibrit kafes yapı tasarımının mekanik özelliklere ve enerji soğurma kabiliyetlerine olan etkisini incelemeyi amaçlamaktadır. Bir malzeme olarak ele alınan eşit hacimli (30 mm x 30 mm x 30 mm boyutlarında kübik tasarım) kafes yapıların aynı bağıl yoğunlukta ve yarı statik basma yükleri altındaki davranışları ve mekanik kararlılıklarına tasarımın etkisini incelenmektedir. Bu sebeple, “eşkenar dörtgensel on iki yüzlü (RD)”, “iso truss (IT)” ve “dikme ile güçlendirilmiş yüzey merkezli kübik (FCCZ)” olarak bilinen üç farklı birim kafesten hibrit kafes hücreler oluşturulmuştur. “RD” birim kafes hücre her iki hibrit kafes hücrede ortak kullanılmıştır. “IT” birim kafes hücrenin kullanıldığı hibrit birim kafes hücre “RDIT”, “FCCZ” birim kafes hücrenin kullanıldığı hibrit birim kafes hücre ise “RDFC” olarak isimlendirilmiştir. Aynı hacim içerisine, farklı hücre boyutları ve sayıları ile “RD, IT ve RDIT” kafes yapılar tasarlanarak, yarı statik basma testi koşullarında hücre boyutu ve sayısının mekanik özelliklere etkisi araştırılmaktadır. Ayrıca aynı birim hücre boyutu ve sayısı ile içi boş ve dolu kirişlerle oluşturulan farklı kafes yapı tasarımları kullanılarak, yapıyı oluşturan birim elemanların etkisinin araştırılması hedeflenmiştir. Aynı boyutlarda ve bağıl yoğunlukta tasarlanan “RD, FC ve RDFC” kafes yapılar için hibrit kafes yapı tasarımının etkisinin yanında, farklı malzemeler kullanılarak basma koşullarında etkisi araştırılmaktadır. Test çalışmaları için oluşturulan eşit hacimli 14 farklı kafes yapı tasarımı ABS benzeri reçine malzemeden ultraviyole (UV) ışık kaynağı kullanılarak LCD kürleme eklemeli imalat yöntemiyle üretilmiştir. Buna ek olarak 4x4x4 dizilimi ve 7,5 mm birim hücre boyutu ile tasarlanan “RD, FC ve RDFC” kafes yapılar Inconel 718 metal tozu kullanılarak, toz yatağında seçici lazer ergitme yöntemiyle üretilmiştir. Tüm yarı statik basma testleri kafes yapının %60’ı (18 mm) basılarak aynı koşullarda gerçekleştirilmiştir. Test çalışmasından kuvvet-basma verileri elde edilmiştir. Bu veriler işlenerek toplam soğurulan enerji (TSE), gerilme-birim şekil değiştirme eğrileri ve elastisite modülü değerleri hesaplanmıştır. Elde edilen test görselleri ile kafes yapıların %20, %40 ve %60 birim şekil değiştirme değerlerinde, ezilme davranışları karşılaştırılmıştır. 3 Ayrıca Inconel 718 malzemeden üretilen metal kafes yapıların LS-DYNA çoklu fizik sonlu elemanlar analiz (SEA) yazılımı kullanılarak yarı statik basma testleri ile benzetimi yapılmıştır. Elde edilen sonuçlar doğrultusunda test ve SEA sayısal değerleri ve görselleri karşılaştırılarak kafes yapılarda uygulaması incelenmiştir. Bu tez çalışmasının 2. bölümünde kuramsal teoremler ve kaynak araştırması yapılarak kafes yapıların sınıflandırılması, kafes yapı mekanik özellikleri ve parametreleri ve uygulama alanları hakkında bilgiler verilmiştir. Ayrıca eklemeli imalat yöntemi hakkında temel bilgiler verilmiştir. Kaynak araştırması ile literatürde yapılan çalışmalar incelenmektedir. Materyal ve yöntemler bölümünde, kafes yapı tasarım ve üretim çalışmaları ile kullanılan malzemeler hakkında bilgiler verilmiştir. Yarı statik basma testleri ve nümerik analiz çalışması parametreleri detaylandırılmıştır. Bulgular bölümünde ise üretilen test parçalarının üretim sonrası değerlendirmesi yapılmıştır. Test ve analiz çalışmaları sonrası elde edilen değerler karşılaştırmalı değerlendirilmektedir. Son olarak sonuç ve tartışma bölümünde tez çalışmasından elde edilen çıktıların genel bir değerlendirilmesi yapılmış ve gelecek çalışmalar için öneriler sunulmuştur. 4 2. KURAMSAL TEMELLER ve KAYNAK ARAŞTIRMASI Bu bölümde, tez çalışmasına temel oluşturan teorik bilgiler ve geçmiş dönemlerde benzer konularda yapılmış çalışmalara yer verilmiştir. Kafes yapıların sınıflandırılması, parametreleri, mekanik özellikleri ve uygulama alanları ile ilgili bilgiler verilmiştir. Eklemeli imalat yöntemleri ile ilgili temel bilgiler aktarılmıştır. Kaynak araştırması bölümünde ise hibrit kafes yapılar, yarı statik basma testleri ve bilgisayar ortamında gerçekleştirilen nümerik analizler konusunda literatürde yer alan çalışmalardan bilgiler derlenmiştir. 2.1. Kafes Yapılar Kafes yapılar hücresel malzemelerin bir türüdür. Hücresel malzemelerin ilk gözlemi 1665 yılında Robert Hooke tarafından ölü mantar dokusu üzerinde yapılmıştır (Leary, 2020a). Hücresel yapılar gözenekli yapılar olarak adlandırılır; köpükler, petek yapılar ve kafes yapılardan oluşur (Plessis vd., 2022; Pan vd., 2020). Doğada, bal peteği, bitki gövdesi, kemik dokusu ve sünger gibi pek çok örnek yapı, hücresel malzemelerin verimli bir şekilde kullanılmasıyla meydana gelmiştir (Zheng vd., 2014). Örneğin sodyum klorür (NaCl) bileşiğinin mikro yapısı yüzey merkezli kübik (YMK) yapı özelliklerine sahip bir kafes yapı örneğidir (Yin vd., 2023). Hücresel malzemeler temelde, birim hücrelerin düzenine bağlı olarak rastlantısal (stokastik) ve periyodik yapılar olarak ikiye ayrılır. Periyodik yapılarda yapının davranışını nümerik ve analitik yöntemlerle hesaplamak daha iyi sonuçlar verirken, rastlantısal yapıların mekanik davranışını belirlemek için istatistik yaklaşımları kullanılmaktadır. Periyodik ve rastlantısal yapılar ise kendi içinde kapalı ve açık hücresel yapılar olarak ikiye ayrılır (Borikar vd., 2023; Park vd., 2022). Hücresel yapılara ait temel sınıflandırma Şekil 2.1’de verilmiştir. Kafes yapılar, doğada bulunan yapılardan esinlenerek tasarlanan insan yapımı yapılar olup, sağlık, biyomühendislik ve spor gibi sektörlerde için giderek artış gösteren uygulama alanı bulmaktadır. Mühendislik dallarında ise hafif yapıların tasarlanması, enerji soğurma, filtreleme, ısı yönetimi, titreşim sönümleme, ses yalıtımı, gürültü azaltma ve ses soğurma gibi çeşitli uygulamalarda kullanılmaktadır (Ashby, 2006; Zheng vd., 2014). Kafes yapılar diğer hücresel malzemelerle karşılaştırıldığında daha iyi mekanik özellikler gösterir (Dong vd., 2017). 5 Şekil 2.1. Hücresel yapıların sınıflandırılması (Park vd., 2022) Kafes yapılar mikro boyutlardan makro boyutlara kadar çeşitlilik gösterir (Şekil 2.2). Bu yapıların temel amacı mümkün olan minimum malzeme ile en dayanıklı yapıyı oluşturabilmektir. Ek olarak, kafes yapılar, ayarlanabilir mekanik özellikleri sayesinde mühendislere esneklik sağlayarak ideale yakın yapıların oluşturulmasına olanak verir (Ashby, 2006). Şekil 2.2. Örnek kafes yapılar; a) gözlemlenen ilk hücre b) bal peteği yapısı c) kemik dokusu d) uzay kafes yapı (Leary, 2020a) 6 2.1.1. Kafes yapıların sınıflandırılması Kafes yapılar, tasarlanmış bir birim hücrenin üç boyutlu uzayda kontrollü bir şekilde tekrarlanmasıyla oluşan gözenekli yapılardır (Riva vd., 2021). Bu yapıların farklı sınıflandırma yöntemleri vardır. Üç boyutlu (3B) ve iki boyutlu (2B) kafes yapılar, üniform ve derecelendirilmiş kafes yapılar ve çoklu malzemeli kafes yapılar gibi sınıflandırılabilir. 2B ve 3B birim kafes hücre sınıflandırması Çizelge 2.1’de verilmiştir. Çizelge 2.1. Birim kafes hücre çeşitleri (Yin vd., 2023) 2B kafes hücre 3B kafes hücre Genel 2 boyutlu birim kafes hücre Kiriş temelli birim kafes hücre İçi boş kiriş birim kafes hücre Ökzetik birim kafes hücre Üçlü periyodik minimum yüzey (ÜPMY)- Kabuk tabanlı birim kafes hücre Plaka temelli birim kafes hücre 2B kafes yapılar İki boyutlu kafes yapıların en bilineni bal peteği yapısıdır. Bu yapılar uzun yıllardan beri mühendislik uygulamalarında kullanılmaktadır. Ekstrüzyon imalat yöntemleri ile üretimi kolayca yapılabilen bu yapılar, düşük ağırlıklarına rağmen yüksek dayanımlarından dolayı havacılık, otomotiv, mimarlık, spor ve sağlık gibi sektörlerde kullanılmaktadır. Bal peteği yapısının dışında, Şekil 2.3’te geometrik şekle göre adlandırılan üçgen, dörtgen, kagome, elmas, dairesel ve sekizgen gibi 2B kafes yapılar bulunmaktadır (Yin vd., 2023). 7 Şekil 2.3. 2B örnek kafes yapılar, a) bal peteği b) üçgen c) kare (Yin vd., 2023) 3B kafes yapılar Üç boyutlu kafes yapılar, belirlenmiş bir hacim içerisinde oluşturulan yapılar olup, farklı konfigürasyonlarda olabilir. 3B kafes yapılar, kiriş temelli, içi boş kiriş temelli, plaka kafes yapı, üçlü periyodik minimum yüzeyler (ÜPMY-TPMS) ve hiyerarşik kafes yapılar olarak sınıflandırılabilir. Kiriş ve içi boş kiriş temelli kafes yapılar, hacim içerisinde yer alan kiriş ve bu kirişlerin birbirlerine bağlandığı düğüm noktalarının birleşmesi sonucunda ortaya çıkan birim hücrelerin, periyodik bir şekilde çoğaltılmasıyla oluşturulur. Kirişler iki düğümü bir araya getirirken, bir düğüm noktasında iki veya daha fazla kiriş birleşebilir (Borikar vd., 2023). Kiriş boyutlarının, yönlerinin ve hacimlerin değiştirilmesi ile çeşitli kafes yapılar elde edilebilir. Bu tasarım esnekliği mekanik özelliklerin ayarlanabilir olmasına olanak verir. Kiriş temelli kafes yapıların en bilinenleri, gövde merkezli kübik (GMK-BCC), hacim merkezli kübik (HMK-FCC), basit kübik (BK- SC), düzgün sekizyüzlü (octet), elmas (diamond), eşkenar dörtgensel on iki yüzlü (rhombic dodecahedron), iso truss, kelvin hücresi ve ökzetik 3B kafes yapılar olarak belirtilebilir (Şekil 2.4). Bu yapıları meydana getiren kirişlerin içinin boşaltılması ile oluşturulan yapılar ise, aynı isimle anılarak içi boş kiriş temelli kafes yapılar olarak adlandırılır. Şekil 2.4. 3B kiriş kafes yapılar, a) sekizli b) elmas c) kübik (Yin vd., 2023) 8 Üçlü periyodik minimum yüzey (ÜPMY-TPMS) veya diğer adıyla kabuk tabanlı kafes yapılar; minimal yüzeyler, yüzeyin herhangi bir noktasında ortalama eğriliği sıfır olan bir membran yapısını tanımlar. Bu membran yapıları, dış yükleri taşımada yüksek verime sahip sabun köpüğü (soap film) yapılarına benzer. Minimal yüzeylerin alt gruplarından birisi ise, bir hacmi üç yönde de sürekli olarak doldurabilen Üçlü periyodik minimum yüzeydir (ÜPMY-TPMS) (Leary, 2020a). ÜPMY yapıların en büyük avantajı, yük altında yüksek deformasyona dayanıklı olmalarıdır. Bu özellikleri sayesinde, kontrollü ve tahmin edilebilir bir ezilme mekanizması gösterirler. Tıpkı 3B kiriş temelli kafes yapılarda olduğu gibi, bu yapıların da mekanik davranışları kullanıldığı bölgeye göre ayarlanabilir durumdadır (Novak vd., 2023). Eklemeli imalat yöntemlerinin gelişmesiyle birlikte ÜPMY kafes yapılar doku mühendisliği, implantlar ve ısı değiştiriciler gibi birçok alanda kullanılmaktadır (Borikar vd., 2023). En bilinen kabuk tabanlı kafes yapılar, girodial (gyroid), schwarz diamond, primitiv, IWP (GMK-BCC) ve FRD (FCC-HMK) kafes yapılardır. Örnek kafes yapılar Şekil 2.5’te verilmiştir. Şekil 2.5. ÜPMY kafes yapılar, a) girodial b) primitiv c) diamond (Yin vd., 2023) Plaka temelli kafes yapılar, adından da anlaşılacağı üzere plakaların belirli bir hacim içerisinde farklı yönlerde dizilmesiyle elde edilir. Bu yapıların, kiriş temelli ve kabuk temelli kafes yapılara göre en önemli özelliği yüksek dayanımı ve mükemmel enerji soğurma karakteristiğidir. Bunun yanında, diğer yapılara nazaran yüksek deformasyonlara uygun değildir. Literatürde en çok karşılaşılan plaka temelli kafes yapılar, basit kübik (BS- SC), gövde merkezli kübik (GMK- BCC), hacim merkezli kübik (HMK- FCC), düzgün sekizyüzlü (octet), kelvin hücresi ve çoklu prizma olarak adlandırılan yapılardır (J. Wu vd., 2023; Yin vd., 2023). Örnek plaka temelli kafes yapılar Şekil 2.6’da verilmiştir. 9 Şekil 2.6. 3B plaka kafes yapılar, a) sekizli b) basit kübik c) HMK (Yin vd., 2023) Ökzetik kafes yapılar Ökzetik kafes yapılar diğer yapılardan farklı olarak, çekme yükü altında genişlerken basma yükü altında ise daralmaktadır. Ökzetik yapıların diğer bir tanımı ise negatif poisson oranlı yapılardır. Çoğunlukla 2B yapılar olarak tasarlanırken, 3B yapılar da son yıllarda araştırma konusu olarak dikkat çekmektedir. Ökzetik yapılar, yüksek kırılma tokluğu, yüksek enerji soğurma kabiliyeti ve çentik dirençlerinden dolayı tercih edilmektedir (Y. Wu vd., 2023; Xue vd., 2023). En çok bilinen ökzetik yapılar ise girintili altıgen (re-entrant hexagon) yapı (Şekil 2.7 (a)), çift ok ucu şekilli (double arrowhead) yapı (Şekil 2.7(b)), yıldız şekilli (star shaped) yapı (Şekil 2.7(c)) ve eksik destekli (missing rib) yapı (Şekil 2.7(d)) olarak belirtilebilir. Şekil 2.7. Örnek 2B ökzetik yapılar (Xue vd., 2023) 10 Gradyan kafes yapılar Gradyan kafes yapılar, birim hücre boyutlarının değişkenlik gösterdiği ya da hücreyi oluşturan kirişlerin veya levhaların değişken ölçülerde tasarlanmasıyla elde edilir. Bu yapılar tıpkı doğada bulunan yapılarda olduğu gibi bölgesel olarak yoğunluklarının ya da ölçülerinin değişkenlik gösterdiği bir tasarıma sahiptir. Gradyan kafes yapıların, üniform kafes yapılardan en önemli farkı, yük altında bir sonraki katmana göre daha dayanıksız olan katmanın ilk olarak şekil değiştirmesi gösterilebilir. Katmanlardaki yoğunluk değişiklikleri sayesinde ise her bir katman için farklı dayanım özellikleri gösterir (Korkmaz vd., 2022; Seharing vd., 2020). Dört farklı gradyan kafes yapı tasarım metodolojisi vardır. Bunlar; birim hücrelerin tel çaplarının değişkenliği (Şekil 2.8(a)) farklı ölçeklerde birim hücrelerin kullanılması (Şekil 2.8(b)), farklı tip birim hücrelerin kullanılması (Şekil 2.8(c)) ve farklı malzemelerin kullanılarak oluşturulduğu kafes yapılardır (Şekil 2.8(d)) (Bai vd., 2020). Şekil 2.8. Örnek gradyan kafes yapılar (Bai vd., 2020) Hiyerarşik kafes yapılar Hiyerarşik kafes yapılar, küçük boyutlu birim hücrelerin daha büyük boyuttaki bir birim hücre içine yerleştirilmesi prensibine dayanır. Buradan anlaşılacağı üzere, büyük ölçekli birim kafes hücrenin kiriş veya plakası, daha küçük ölçekli birim hücrelerden oluşmuştur. Hiyerarşik kafes yapılarda önemli bir parametre, yapının hiyerarşik düzenleme 11 derecesidir. Doğada hiyerarşik kafes yapılara pek çok örnek gösterilebilir. Bunlar; Euplectella süngeri, kemik dokusu ve kas hücresi olarak belirtilebilir. Hiyerarşik kafes yapılar hem 2B hem de 3B kafes yapılarda uygulanabilir. Bu tasarım prensibi sayesinde mekanik özellikleri ve davranışı ayarlanabilir kafes yapılar elde edilerek daha hafif ve verimli kafes yapıların elde edilmesi sağlanır (Al Nashar & Sutradhar, 2021; Meza vd., 2015; Tsang vd., 2019; Zheng vd., 2016). Şekil 2.9. 2B hiyerarşik kafes yapı örneği (Tsang vd., 2019) Hibrit kafes yapılar Hibrit tasarım, farklı yapıların üstün özelliklerini birleştirerek daha üstün özelliklere sahip bir tasarım stratejisidir (L. B. Li vd., 2023). Bu strateji kafes yapılara da uygulanabilir. Hibrit kafes yapılar, Şekil 2.10 ve Şekil 2.11’de verildiği gibi farklı malzemelerin tek bir yapıda kullanılması, iki veya daha fazla birim kafes hücrenin birleştirilerek tek bir yapının tasarlanması, iki veya daha fazla birim hücrenin düzenli veya rastgele bir hacim içerisine yerleştirilmesi sonucunda elde edilerek oluşturulur (L. Li vd., 2022; Yang vd., 2023). Şekil 2.10. Birim hücrelerden oluşturulan hibrit birim hücre (L. Li vd., 2022) 12 Şekil 2.11. Farklı birim hücre dizilimine örnek hibrit kafes yapılar, a) Yang vd. (2023), b) Syrlybayev vd. (2023) 2.1.2. Kafes yapı parametreleri ve mekanik özellikler Kafes yapılar hem topolojiye hem de malzemeye bağlı olarak değişen özellikler gösterir. Diğer yandan bu çalışmada belirtilen kafes yapılar, mühendislikte uzun zamandır bilinen ve büyük yapıların inşasında kullanılan kafes yapılardan farklı olarak küçük ölçekte olmaları sebebiyle doğrudan bir yapıdan ziyade kafes malzemeler olarak da değerlendirilebilir. Ashby (2006), bu yapılar üzerinde etkili üç değişkeni aşağıdaki gibi açıklamaktadır. • Kafes yapının üretildiği malzeme ve özellikleri, • Kafes yapıyı oluşturan yüzey ya da kiriş elemanların şekilleri (topolojileri) ve bu elemanların birbiriyle bağlantısı (düğüm noktaları) • Kafes yapının bağıl yoğunluğu Kafes yapının bağıl yoğunluğu, kafes yoğunluğunun bu yapının üretildiği malzemenin yoğunluğuna oranıdır. Diğer bir deyişle, kafes yapıyı oluşturmak için kullanılan malzeme hacminin, kafes yapı hacmine oranı olarak tanımlanabilir (Ashby, 2006). Bağıl yoğunluk (ρ∗) Denklem (2.1’de verilmiştir. 13 ρ∗ = ρ ρs⁄ = Vs V⁄ (2.1) Burada ρ kafes yapı yoğunluğu, ρs katı malzeme yoğunluğu olup 𝑉 kafes hacmi, 𝑉𝑠 ise katı malzeme hacmidir. Kafes yapılar yükleme altında oluşan iç yüklere göre eğilme baskın (bending dominated) veya gerinme baskın (stretching dominated) yapılar olarak ikiye ayrılırlar. Bu sayede yapıların yük altında deformasyon ve hata modları için tahminler yapılabilir. Kiriş temelli kafes yapıların bu sınıflandırılmasında Maxwell kararlılık kriteri kullanılır. Ayrıca Gibson-Ashby modeli ile kafes yoğunluğu, ana malzemenin mekanik özellikleri ve yükleme altındaki davranışına göre kafes yapının mekanik özellikleri hakkında öngörü yapmak mümkündür (Leary, 2020a). Burada öncelikle Maxwell kararlılık kriteri açıklandıktan sonra, kafes yapıların yükleme altındaki davranışına göre yapılan sınıflandırmaya ait yaklaşımlar aşağıda karşılaştırmalı olarak verilmiştir. Maxwell kararlılık kriteri Maxwell, kiriş temelli kafes yapılarda, kafesi oluşturan kirişler ve bağlantı noktalarını (düğüm noktaları) kullanarak bu yapıların yük altındaki davranışı ve kararlılığının belirlenebileceği bir dizi matematiksel denklem önermiştir. 2B ve 3B yapılar için bu denklemler aşağıda belirtilmiştir (Leary, 2020a). 2B yapılar, M = b − 2j + 3 (2.2) 3B yapılar, M = b − 3j + 6 (2.3) Denklemlerde b yapıda bulunan kirişlerin sayısını ifade ederken, j ise kirişleri birbirine bağlayan düğüm noktalarının sayısını göstermektedir. Burada M ile yapının bir mekanizma olup olmadığı yani birden fazla serbestlik derecesi olup olmadığına karar verilir (Ashby, 2006; Deshpande vd., 2001). M < 0 olduğunda kafes yapı, en az bir serbestlik derecesine bağlı bir mekanizma gibi davranır ve eğilme baskın yapı olarak sınıflandırılır. M ≥ 0 olduğunda ise dış yüklerin altında yapıyı oluşturan kirişlerde çekme ve basma kuvvetlerinin etkisiyle iç gerilmeler oluşur. Bu yapılar gerinme baskın yapılar olarak adlandırılır (Leary, 2020a). 14 Şekil 2.12. Eğilme ve gerinme baskın yapı örnekleri (Leary, 2020a) Eğilme baskın ve gerinme baskın yapıların karakteristik özellikleri Bir kafes yapının mekanik davranışı büyük ölçüde yapının yükleme tipine bağlıdır. Eğilme baskın bir kafes yapı için bası yükü altında yeteri kadar rijitlik sağlayacak elemanlar olmadığı için yapıyı oluşturan elemanlar eğilmeye maruz kalır ve yapı bir mekanizma gibi davranır. Gerinme baskın yapılarda ise, kafes yapı yeterince rijit olduğu için yüksek iç gerilmeler oluşur ve yapıyı oluşturan elemanlar çeki ve bası yönünde çalışır (Ashby, 2006; Leary, 2020a). Eğilme baskın bir yapının yük altında karakteristik gerilim-gerinim eğrisi Şekil 2.13 ile verilmiştir. Yapı belli bir deformasyon değerine kadar elastik davranış gösterir. Bu bölge geçildikten sonra yapıya yük uygulanmaya devam edilirse, malzeme akma değeri aşıldıktan sonra elastik-plastik bölge olarak adlandırılan bölgede doğrusal olmayan davranış gösterir. Sonrasında kafes yapıyı oluşturan elemanlar dış kuvvetin etkisiyle birbirine temas edinceye kadar ezilme gerçekleşir, bu bölgede gerilme hızlı artış göstermez. Kafes yapı elemanları birbirine temas ederek ezilme hızı azaldığında katılaşma bölgesi olarak adlandırılan bölge görülür ve burada gerilmeler çok yüksek değerlere çıkmaktadır. Gerinme baskın bir kafes yapıda ise kuvvetin etkisiyle, yapıyı oluşturan elemanlar çeki- bası yüklerine maruz kalırlar. Bu tip yapılarda elastik bölge aşılana kadar gerilme değerleri artar ve en yüksek noktasına ulaşır. Sonrasında gerilme hızlı bir şekilde düşmeye 15 başlar, bu bölgede lineer olmayan davranış görülür ve yük kaldırılırsa yapı deformasyona uğramış şekilde kalır. Basma yükü etkimeye devam edilirse, gerilme değerlerinin değişim hızı düşer ve yapı ezilmeye devam eder. Eğilme baskın yapılarda olduğu gibi kafes yapıyı oluşturan elemanların birbirine temas etmesinden dolayı ezilmenin yavaşladığı bölgede katılaşma denilen bölge başlar ve gerilme değerleri çok hızlı bir şekilde artış gösterir (Şekil 2.14). Şekil 2.13. Eğilme baskın yapı karakteristik gerilme-gerinim eğrisi (Ashby, 2006) Şekil 2.14. Gerinme baskın yapı karakteristik gerilme-gerinim eğrisi (Ashby, 2006) 16 Eğilme baskın ve gerinme baskın kafes yapıların basma yükü altında hasar ilerleme karakteristikleri Şekil 2.15 ile gösterilmektedir. Şekil 2.15. Eğilme ve gerinme baskın yapı karakteristik hasar ilerlemesi (Leary, 2020a) Gövde merkezli kübik (GMK) birim kafes hücre ve 5x5x5 konfigürasyonunda tasarlanan kafes yapının temel özellikleri Şekil 2.16’da gösterilmektedir. Burada “a” birim kafes hücrenin dıştan dışa bir kenarının uzunluğu, “L” kafes yapının dıştan dışa bir kenarının uzunluğu ve “d” ise birim kafes hücreyi oluşturan kirişin çapıdır. Kafes yapı kübik olarak tasarlandığı için tüm kenarlar eşittir ve üniform kafes tasarımı olmasından dolayı kiriş çapları da eşittir. Ancak bu yapıların birim hücre ölçülerinde, dış ölçülerinde ve kiriş kesitlerinde değişken ölçü veya şekiller olabilmektedir. 17 Şekil 2.16. 5x5x5 konfigürasyonunda GMK Kafes Yapı Kafes yapılarda enerji soğurma Kafes yapıların basma yükleri altında enerji soğurma özellikleri, Şekil 2.17 ile verilen grafikten anlaşılacağı üzere, yapıyı deforme eden kuvvet ve gerçekleşen ezilme miktarı ile oluşturulan kuvvet-basma grafiğinin altında kalan alanın hesaplanması ile belirlenebilir. Buradan hareketle toplam soğurulan enerji (TSE), özgül soğurulan enerji (ÖSE) nicelikleri aşağıdaki denklemler ile elde edilir. Şekil 2.17. Enerji soğurma özellikleri (Ha & Lu, 2020) 18 Toplam soğurulan enerji (TSE); TSE = ∫ F(x)dx dmaks 0 (2.4) Burada x değeri basma miktarı olup, F(x) kafes yapıya basma yükü ettiği durumunda ezilme miktarına karşılık gelen kuvvet değeridir. dmaks değeri ise katılaşma bölgesinin başladığı ezilme miktarıdır. Özgül soğurulan enerji (ÖSE) ise toplam soğurulan enerji miktarının kütleye bölünmesi ile elde edilir. Aşağıdaki denklemde verilen m değeri, yapının kütlesidir. ÖSE = TSE m (2.5) 2.1.3. Uygulama alanları Kafes yapılar düşük ağırlık özellikleri ve yüksek enerji soğurma kabiliyetleri, yüksek dayanımları ve rijitlikleri, ayarlanabilir mekanik özelliklerinin yanında karmaşık yapılarda üretilebildikleri için pek çok uygulamada iyi bir seçimdir (Ali vd., 2022). Kafes yapı uygulama alanları ve tercih edilen özellikleri Çizelge 2.2’de verilmiştir. Kafes yapılar otomotivde ve havacılıkta hafif yapıların tasarlanması, ses yalıtımı, şok ve titreşim sönümleme, ısı değiştiricilerin performansını artırma, ısı yalıtımı amacıyla kullanılırlar. Sağlık sektöründe ise kişiye özel implantların tasarlanmasını sağlarlar (Ali vd., 2022; Korkmaz vd., 2022; Yin vd., 2023). Moon vd. (2014) yaptıkları çalışmada 3 farklı kafes yapıyı insansız hava aracı kanat profilinin içine yerleştirerek bu yapıların karşılaştırması üzerine çalışma yapmışlardır. İzotropik düzgün sekiz yüzlü (octet truss) kafes yapı kullanarak medikal implant tasarım çalışması gerçekleştiren Feng vd. (2021), anizotropi kontrol çalışmaları ile mekanik özellikleri ayarlanabilir yapılar üzerine yaklaşım gerçekleştirmişlerdir. C. Y. Wang vd. (2018) çalışmalarında kare kesitli bir profil içine 3B negatif poisson oranına sahip kafes yapı tasarımını ekleyerek otomotiv sektörü için çarpışma kutusu (crash box) tasarımı yapmışlardır. 19 Çizelge 2.2. Kafes yapıların kullanım alanları ve özellikleri (Plessis vd., 2022) Uygulama alanı Özellik Hafif yapılar • Yüksek rijitlik • Yüksek dayanım Biyomedikal implantlar • Kontrol edilebilir mekanik özellikleri sayesinde kemiğe uyumlu yapının geliştirilebilmesi • Uygun gözenek yapısı ve geniş yüzey alanı Çarpışmaya dayanıklılık Paketleme Şok sönümleme • Yüksek enerji soğurma kabiliyeti Titreşim kontrolü • Yüksek sönümleme faktörü Elektrotlar ve katalizörler • Yüksek alan/hacim oranı Isı yalıtımı • Düşük ısı iletkenliği • Düşük özgül ısı Isı değiştiriciler • Yüksek ısıl yayılım • Düşük ısıl genleşme Isı atımı • Yüksek ısı atımı • Düşük termal direnç Filtrasyon • Yüksek gözenek boyutunun kontrol edilebilmesi • Gözenekler arası bağlantının kontrol edilebilmesi Ses yalıtımı • Yüksek ses yalıtım kabiliyeti 20 2.2. Eklemeli İmalat Eklemeli imalatın (Eİ) temellerini oluşturan hızlı prototipleme ilk olarak 1980’lerde model ve prototip parçalar oluşturmak amacıyla kullanılmıştır (Wong & Hernandez, 2012). Günümüzde ise, üç boyutlu yazdırma teknolojisi ile sürekli gelişmekte olup geniş bir kullanım yelpazesine sahiptir. Eİ teknolojisinde, temel olarak bilgisayar destekli tasarım (CAD) yazılımları kullanılarak tasarım dosyası oluşturulur. Sonrasında katman bilgilerinin oluşturulmasını sağlayan küçük üçgen parçalara bölünerek stereolitografi (STL) dosya formatına dönüştürülür (Şekil 2.18). Yazdırma işlemi öncesinde dilimleme yazılımları kullanılarak her bir katmanın detayı 3B yazıcıya aktarılır ve yazdırma işlemi gerçekleştirilir (Rasiya vd., 2020). Şekil 2.18. STL dosyası oluşturma adımları (Rasiya vd., 2020) Eklemeli imalat yöntemleri ile üretilen bir parçaya ait ürün geliştirme döngüsü Şekil 2.19’da verilmiştir. Eİ, Şekil 2.20 ile şematik olarak verilen diğer imalat yöntemlerinden temel olarak farklı olup, ham malzemeden, malzeme çıkarmak yerine katı, eriyik ya da toz malzemeyi katmanlar halinde ekleyerek ürüne dönüştürülmesine olanak verir. Eklemeli imalat yöntemlerinin geleneksel yöntemlere göre güçlü ve zayıf yönleri aşağıda maddeler halinde sıralanmıştır (Korkmaz vd., 2022; Leary, 2020b). 21 Güçlü yönler; • Kompleks geometriye sahip ve üretimi geleneksel yöntemlerle zor olan parçaların kolaylıkla ve düşük maliyetlerle üretilmesine olanak sağlar. Çok küçük boyutlarda parçalar dahil olmak üzere karmaşık geometrideki parçaların ek maliyet gerektirmeden üretilmesini sağlar. Şekil 2.19. Ürün geliştirme döngüsü (Wong & Hernandez, 2012) Şekil 2.20. Temel üretim yöntemleri (Leary, 2020b) 22 • Üretim esnekliği sayesinde parça tasarımlarına dahil edilen kafes yapılar ile dayanıklı ve hafif parçaların üretilmesini kolaylaştırır. 3B yazdırma teknolojisindeki gelişmeler, üretken tasarım yöntemlerinin gelişmesini, bu sayede tasarım olanaklarının genişlemesini ve hızlanmasını sağlamaktadır. Doğadan esinlenerek tasarlanan karmaşık yapılar eklemeli imalat yöntemleri ile üretilebilir durumdadır. • Eİ yönteminde, geleneksel yöntemlere göre üretime yardımcı malzemelere ihtiyaç duyulmaması nedeniyle özellikle düşük hacimli üretimlerde ürün maliyetinin düşmesini sağlar. • Malzeme eksiltme ile parça üretim yöntemlerinde oluşan atık malzemeler ürünün birim maliyetinin artmasına sebep olurken, Eİ yöntemlerinde malzeme sarfiyatı asgari düzeyde olduğu için atık malzeme ve ürün malzeme maliyeti azalmaktadır. • Eİ yöntemlerinde malzeme çeşitliliği çok daha fazladır. Ayrıca metalürjik olarak geleneksel yöntemlerde kullanılamayan malzemelerin kullanılmasını sağlar. Zayıf yönleri ise şu şekilde sıralanabilir; • Yüksek adetli üretimler için henüz ekonomik ve yeterince hızlı değildir. Büyük boyutlu parçaların üretimi kısıtlıdır. • Bazı eklemeli imalat yöntemlerinde parçanın son haline ulaşabilmesi için ısıl işlem, polisaj gibi imalat sonrası işlemlerin yapılması zorunludur. • Gelişmekte olan teknolojiler olduğu için henüz standartlaşma ve kalite kontrol yöntemleri tam olarak olgunlaşmamıştır. Eİ sınıflandırması, parçanın oluşturulma yöntemine, kullanılan malzemeye ve parçayı oluşturmak için kullanılan ortama bağlı olarak sınıflandırılabilir (Şekil 2.21). ASTM F2792-12a’ya göre 50’den fazla eklemeli imalat yöntemi vardır. Ancak ISO/ASTM 52900:2021 standardında parçanın oluşturulma yöntemine göre 7 temel eklemeli imalat yöntemi verilmektedir. Eklemeli imalat yöntemlerinin güçlü ve zayıf yönlerinin yer aldığı bilgiler Çizelge 2.3 ile verilmiştir. 23 Çizelge 2.3. Eİ yöntemleri güçlü-zayıf yönler (Ali vd., 2022; Y. Wu vd., 2023) Yöntem Güçlü yönler Zayıf yönler Malzeme Püskürtme • Çoklu malzeme yazabilme • Yüzey kalitesi yüksek • Düşük dayanımlı yapılar • Düşük çözünürlük • Sık makine bakımı Bağlayıcı Püskürtme • Ürünü renkli yazabilme • Geniş malzeme seçeneği • Gözenekli son ürün • Son işlemde infiltrasyon gerekliliği Havuz Foto Polimerizasyonu • Yüksek üretim hızı • Yüksek parça çözünürlüğü • Kürleme gerekliliği • Yüksek malzeme maliyeti • Sınırlı malzeme çeşidi Toz Yatağında Ergitme • Yüksek hassasiyet • Yüksek dayanımlı parçalar • Ham maddenin tekrar kullanabilirliği • Destek ve sabitleyici parça kullanımı zorunluluğu • Düşük üretim hızı • Yüksek maliyet Malzeme Yığma • Düşük maliyetli • Çoklu malzeme yazabilme • Yüksek üretim hızı • Sınırlı parça çözünürlüğü • Düşük dayanımlı parçalar • Düşük yüzey kalitesi • Sınırlı malzeme çeşidi Enerji Biriktirme • Yüksek biriktirme oranı • Hasarlı parçanın onarım imkânı • Son işlem gerekliliği • Düşük çözünürlük • Düşük yüzey kalitesi Levha Laminasyonu • Yüksek yüzey kalitesi • Düşük malzeme, makine ve proses maliyeti • Parça temizliğinin zor olması 24 Şekil 2.21. Eklemeli imalatın sınıflandırılması (Saleh Alghamdi vd., 2021) 25 2.3. Kaynak Araştırması Kaynak araştırması bölümünde, kafes yapılar ve enerji soğurma özellikleri ile ilgili literatürde yer alan güncel çalışmalar incelenmektedir. Araştırmalar; hibrit kafes yapılar, yarı statik basma deneyleri, enerji soğurma kabiliyetleri ve tez çalışmasında kullanılacak malzemelere odaklanacak şekilde yapılmıştır. Burada yer alan bilgilere erişim için YÖKTEZ (YÖK Ulusal Tez Merkezi), Bursa Uludağ Üniversitesi Merkez Kütüphanesi ve açık erişim çevrimiçi kaynakları kullanılmıştır. Ma vd. (2023) yaptıkları çalışmada, gövde merkezli kübik (GMK) ve sekizli (octet) birim kafes hücrelerden hibrit kafes yapının (Şekil 2.22) tasarımı ve özellikleri üzerinde durmuşlardır. AISI 316L paslanmaz çelik metal tozu kullanılarak toz yatağında seçici lazer ergitme Eİ yöntemiyle üretilen kafes yapılar yarı statik basma koşulları göz önüne alınarak sonlu elemanlar yöntemi ile analiz edilmiş ve basma testleri gerçekleştirilerek enerji soğurma kabiliyeti ve deformasyon mekanizmaları araştırılmıştır. Sonuçlar, hibrit kafes yapının basma modülünde ve akma dayanımında sırasıyla maksimum %10 ve %16 oranında iyileştirdiğini ve iyileştirmenin enerji soğurma özelliğinin, geleneksel yapılara göre %20 daha iyi olduğunu göstermiştir. Şekil 2.22. Hibrit kafes yapının tasarım stratejisi (Ma vd., 2023) Xiao vd. (2022) tarafından yayınlanan makalede, eklemeli imalat yöntemiyle üretilen hibrit kafes yapıların basma performansları ve enerji sönümleme özellikleri incelenmiştir. Sekizli (octet cell) ve eşkenar dörtgensel on iki yüzlü kafesten (rhombic dodecahedron) (Şekil 2.23) oluşan hibrit kafes hücre konfigürasyonu oluşturulmuştur. Seçici lazer ergitme (SLM) eklemeli imalat yöntemiyle AISI 316L paslanmaz malzemeden üretilen yapıya yarı statik basma deneyleri uygulanmıştır. Sonlu elemanlar yöntemiyle analiz 26 edilerek sanal ve gerçek ortamdaki yapı davranışı karşılaştırılmıştır. Hibrit kafes yapıların, tek tip birim kafes hücrelerden oluşturulmuş yapılara göre enerji soğurma performanslarının daha yüksek olduğu sonucuna varılmıştır (Şekil 2.24). Şekil 2.23. Hibrit kafes hücre konfigürasyonu (Xiao vd., 2022) Şekil 2.24. Hibrit kafes yapının enerji soğurma özellikleri (Xiao vd., 2022) Wu vd. (2023), yaptığı araştırmada ise plaka tabanlı birim hücre ile içi boş kiriş tabanlı birim hücreden elde edilen 10x10x10 mm boyutlarındaki hibrit birim hücre tasarımı yapmışlardır. Bu birim hücrelerden 3x3x3 adet diziliminde hibrit kafes yapılar oluşturulan kafes yapılar yarı statik basma koşullarında test edilmiştir (Şekil 2.25). Ayrıca benzer sınır koşullarını sağlayacak şekilde nümerik analizler gerçekleştirilmiştir. Analiz çalışmaları LS DYNA (USA) sonlu elemanlar yazılımında gerçekleştirilmiştir. Hibrit kafes yapıların yalnızca plaka tabanlı birim hücrelerden oluşan PL-B yapıya göre daha iyi mekanik özellikler sergilediği sonucuna varılmıştır. 27 Şekil 2.25. Hibrit kafes yapıların tasarım yöntemleri (Wu vd., 2023) Novak vd. (2023) yaptığı çalışmada, üçlü periyodik minimum yüzey (ÜPMY) birim hücrelerden 20 mm çapında ve yüksekliğinde silindir formunda kafes yapılar oluşturulmuştur. Ayrıca elmas ve giroid birim yapılardan hibrit test numunesi tasarlanmıştır (Şekil 2.26) AISI 316L paslanmaz çelik metal tozu kullanılarak, toz yatağında ergitme eklemeli imalat yöntemiyle numuneler üretilmiştir. Düşük ve yüksek şekil değiştirme hızlarında kafes yapıların enerji soğurma kabiliyetleri incelenmiştir. Yarı statik ve düşük dinamik koşullar basma test cihazında, yüksek dinamik koşullar ise Split Hopkinson Bar testi cihazında ve çok yüksek dinamik koşullar ise powder gun test cihazında gerçekleştirilmiştir. Farklı koşullarda kafes yapıların davranışları incelenmiştir. Sonuç olarak kafes yapıda hibrit hücre yönlerinin ve dağılımının önemli bir etken olduğu sonucuna varılmıştır. Şekil 2.26. Novak vd. (2023) araştırmalarında kullanılan test numuneleri 28 Kladovasilakis vd. (2023) yaptığı çalışmada farklı kiriş, içi boş kiriş, plaka ve üçlü periyodik minimum yüzey (ÜPMY) tabanlı kafes yapıların temel birim hücre olarak kullanılıp hibrit birim hücrenin tasarım çalışmasının yapıldığı görülmektedir. Bu çalışmada 4 farklı hibrit birim hücre tasarımı ve bunların oluşturduğu 2x2x2 kafes yapıda test ve nümerik analiz çalışmaları gerçekleştirmişlerdir (Şekil 2.27). Çalışmada seçici lazer sinterleme (SLS) eklemeli imalat yöntemi ve poliamid 12 (PA12) toz malzeme kullanılmıştır. Yarı statik basma testi ve bu teste benzetim yaparak sonlu elemanlar analiz yöntemi ile mekanik özellikleri araştırılmıştır. Hibrit kafes yapıların üstün mekanik özelliklerinin olduğu sonucuna varılmıştır. Şekil 2.27. Hibrit kafes yapı tasarımları (Kladovasilakis vd., 2023) 29 Cui vd. (2024) hibrit kafes yapı tasarımının, enerji soğurma, elastisite modülü ve akma gerilmesi gibi kafes yapı mekanik özelliklerine etkilerini incelemişlerdir. Kiriş ve plaka temelli birim kafes hücrelerden oluşturdukları hibrit birim hücre (Şekil 2.28) ile 4x4x4 diziliminde kafes yapılar oluşturulmuştur. Seçici lazer sinterleme Eİ yöntemiyle PLA toz malzemeden üretilen kafes yapılar yarı statik basma testleri ile test edilmiştir. Testler sonucunda hibrit kafes yapının akma gerilmesi değerinde %13,4, özgül soğurulan enerji değerinde ise %18,5 artış olduğu belirtilmiştir. Şekil 2.28. Hibrit birim kafes hücre tasarımı (Cui vd., 2024) L. Li vd. (2024) tarafından yapılan araştırmada hibrit kafes yapılar tasarlanarak, bu yapıların enerji soğurma ve ses yalıtımı gibi çoklu işlevleri üzerinde araştırmalar yapılmıştır. Plaka temelli GMK ve basit kübik yapıların birleştirilmesiyle ortaya çıkan hibrit birim hücreler farklı boyutlarda tasarlanarak Şekil 2.29’da gösterilen kafes yapılar oluşturulmuştur. Eriyik yığma Eİ yöntemi ile üretilen kafes yapılarda herhangi bir son işleme gerek kalmadığı belirtilmektedir. Yapı üzerinde açılan delik çapı ve plaka kalınlıklarının ses yalıtımı ve enerji soğurma üzerine etkileri incelenmiştir. Hibrit kafes yapı tasarımı sayesinde, birim kafes yapılara göre ses soğurma katsayıları karşılaştırıldığında, GMK yapıya göre %24, basit kübik yapıya göre %62 artış göstermiştir. 0,168 eşit bağıl yoğunluk değerleri ile üretilen kafes yapılara yarı statik basma testi uygulanmıştır. Hibrit kafes yapının daha kararlı bir yapı olmasının yanında, GMK yapıya göre %31, basit kübik yapıya göre %23 dolaylarında daha fazla enerji soğurduğu gözlenmiştir. 30 Şekil 2.29. Hibrit kafes yapı tasarımı (L. Li vd., 2024) Zaharia vd. (2024) yaptıkları çalışmada Inconel 718 metal tozu kullanarak seçici lazer ergitme Eİ yöntemiyle küresel ve hiperbolik şekle sahip kafes yapılar ile çalışmalar yapmıştır. Çalışmada iki farklı kafes yapı için, ısıl işleme tabi tutulan ve üretildiği gibi test edilen kafes yapıların karşılaştırılması yapılmıştır. Basma testlerinde ısıl işleme tabi tutulan kafes yapılardan hiperbolik şekilli tasarıma sahip kafes yapı, ısıl işlem uygulanmamış yapıya göre %45,1 daha fazla dayanım göstermiştir. Küresel şekilli tasarıma sahip kafes yapılarda ise, ısıl işlem uygulanmış kafes yapı, uygulanmamış kafes yapıya göre %52,3 daha fazla dayanım göstermiştir. Ayrıca ısıl işleme tabi tutulmuş kafes yapıların mikro sertlik testlerinde ve iç yapılarında daha iyi sonuçlar görülmüştür. Xu vd. (2024), çalışmalarında yarı statik basma koşullarında ve yorulma yüklerinde plaka temelli kafes yapı tasarımları için duvar kalınlığının etkisini araştırmışlardır. %12,5, %25, %37,5 ve %50 olmak üzere dört farklı bağıl yoğunluğa sahip kafes yapı toz yatağında 31 lazer ergitme Eİ yöntemi ile Inconel 718 metal tozu kullanılarak üretilmiştir. Kafes yapılar üretildikten sonra kalıntı gerilmelerin giderilmesi için ısıl işlem uygulanmıştır. Yarı statik basma koşullarında ve yorulma yükleri altında yapılan farklı testlerde bağıl yoğunluğu ve duvar kalınlığı fazla olan kafes yapıların özelliklerinin daha iyi olduğu gözlemlenmiştir. Havuz foto polimerizasyonu yöntemiyle üretilen kafes yapı çalışmalar incelendiğinde, bu eklemeli imalat yöntemlerinin üretim hassasiyetinin yüksek olmasından kaynaklı tercih edildiği görülmektedir. DLP ve SLA yöntemleri ile üretilmiş kafes yapılarda yarı statik ve dinamik basma testleri ile kafes yapıların mekanik davranışları üzerine çalışmalar yapılmıştır (Ling vd., 2019; Mancini vd., 2024). Malekan & Sigurjónsson (2024) tarafından yapılan çalışmada, gevrek ve sünek iki farklı polimer malzeme kullanarak SLA yöntemiyle eşit hücre boyutlu ve gradyan kafes yapıları üretip, yarı statik basma testleri ile mekanik davranışlarını incelemiştir. Gradyan kafes yapıların, eşit hücre boyutlu kafes yapılara göre daha iyi mekanik davranış gösterdiği belirtilmektedir. Literatürde bulunan kaynaklar incelendiğinde, kiriş temelli ve plaka temelli hibrit kafes yapı çalışmalarının son yıllarda artış gösterdiği ve güncel bir araştırma konusu olduğu anlaşılmaktadır. Ancak RD, FCCZ ve iso truss birim kafes hücreleriyle oluşturulmuş hibrit kafes yapılar üzerine çalışma bulunmadığı ve özgün bir çalışma konusu olacağı düşünülmüştür. Ayrıca iki farklı kiriş temelli kafes yapıdan içi boş kirişler kullanılarak oluşturulan hibrit kafes yapı tasarımı henüz araştırılmamıştır. Gevrek ve sünek olmak üzere, iki farklı malzemeden aynı hücre tasarımlarıyla oluşturulan karşılaştırmalı çalışmaların yetersiz olduğu görülerek, Inconel 718 ve ABS benzeri reçine kullanılarak üretilecek kafes yapıların literatüre önemli bir katkı sağlayacağı düşünülmektedir. Kafes yapılar üzerine pek çok test çalışmasının yanında sonlu elemanlar analizi yöntemiyle yapılan çalışmalarda, Inconel 718 malzeme için SEA çalışmalarının sınırlı olduğu görülmektedir. 32 3. MATERYAL ve YÖNTEM Bu çalışmada tasarımı bilinen birim kafes hücreler ile iki farklı hibrit birim kafes hücre tasarımı oluşturulmuştur. Özgün hibrit birim hücreler ve bunları oluşturan birim hücreler ile çeşitli konfigürasyonlarda kafes yapılar tasarlanmıştır. Eklemeli imalat yöntemleri kullanılarak iki farklı malzemeyle üretimler yapılmıştır. Bu yapıların yarı statik basma koşullarında testleri gerçekleştirilmiş ve veriler toplanmıştır. Ayrıca nümerik analizler ile test benzetimleri yapılarak sanal ortamda mekanik davranışlara ait veriler elde edilmiştir. Bu bölümde kafes yapıların tasarım, üretim, test ve nümerik analiz çalışmaları hakkında detaylı bilgiler verilmektedir. 3.1. Kafes Yapı Tasarımları Hibrit kafes yapıların oluşturulması için öncelikle birim kafes hücre tasarımlarının gerçekleştirilmesi gereklidir. Hibrit kafes tasarımında “eşkenar dörtgensel on iki yüzlü (rhombic dodecahedron (RD))”, “iso truss (IT)” ve “dikme ile güçlendirilmiş yüzey merkezli kübik (FCCZ)” birim kafes hücreler (Şekil 3.1) seçilmiştir. Tasarım çalışmalarında Catia V5R19 (Dassault System) bilgisayar destekli tasarım (CAD) yazılımı kullanılmıştır. Şekil 3.1. FCCZ, RD ve IT birim kafes hücreler (Soldan sağa) Yukarıda verilen birim hücrelerden; eşkenar dörtgensel on iki yüzlü (RD) ve iso truss (IT) hücreleri birleştirilerek “RDIT” hibrit birim kafes hücre tasarımı yapılmıştır (Şekil 3.2). Eşkenar dörtgensel on iki yüzlü (RD) ve dikme ile güçlendirilmiş yüzey merkezli kübik (FCCZ) hücrelerden ise “RDFC” hibrit birim kafes hücre oluşturulmuştur (Şekil 3.3). Birleştirilmiş hücrelerin üst üste denk gelen kirişleri tek bir kiriş olacak şekilde tasarımlar yapılarak tekil yapı haline getirilmiştir. 33 Şekil 3.2. RDIT hibrit birim kafes hücrenin tasarımı Şekil 3.3. RDFC hibrit birim kafes hücrenin tasarımı Tasarım çalışmalarında, hibrit hücreler ve bu yapıların oluşturulmasında kullanılan birim hücrelerin Maxwell kararlılık kriteri değerlendirmeleri yapılmıştır. Ayrıca basma yönüne dik kiriş olup olmadığı da incelenmiştir. Yalnızca IT birim hücrenin gerinme baskın olduğu görülmektedir. Basma yönüne dik kirişlerin değerlendirildiği durum için ise yalnızca RD yapıda dik kirişin olmadığı görülmektedir (Çizelge 3.1). Her bir birim kafes hücre tasarımı tamamlandıktan sonra, bu kafes hücreler ile farklı dizilimlerde kafes yapılar tasarlanmıştır. Bütün kafes yapılar, kenar ölçüleri 7,5 mm, 10 mm ve 15 mm olan birim hücreler kullanılarak 30 mm x 30 mm x 30 mm boyutlarında olan bir küp hacim içerisine yerleştirilecek şekilde boyutlandırılmıştır. Oluşturulan kafes yapıların bağıl yoğunlukların birbirine eşit olması amaçlanmış, bu şartın sağlanması için, yapıyı oluşturan dairesel kesitli kirişlerin çapları değiştirilmiştir. Bütün kafes yapıların bağıl yoğunlukları %22,4 ile %22,9 aralığında olacak şekilde tasarımlar tamamlanmıştır. Kafes yapılar için birim hücrelerin kısaltmalarıyla Çizelge 3.2 ve Çizelge 3.3’te sütunlar oluşturulmuştur. Her bir sütunda farklı hücre konfigürasyonuyla kafes yapı tasarımları verilmiştir. Yapıların adlandırılmasında, hücre tipinden sonra metal veya polimer malzeme olmasına göre; metal kafes yapılar için “M”, polimer kafes yapılar için ise “P” 34 kısaltması kullanılmıştır. Kafes yapı görselinin verildiği çizelge bölümünde kiriş çapı (d), içi boş olan kirişler için et kalınlığı (t) ve bağıl yoğunlukları (ρ∗) verilmiştir. Örneğin RD- P1 olarak adlandırılan kafes yapı, 4x4x4 hücre konfigürasyonuna sahip, tel çapı d=1,22 mm ve bağıl yoğunluğu ρ∗ =%22,5 olan kafes yapıyı ifade etmektedir. Çizelge 3.1. Tasarımı yapılan birim ve hibrit hücrelerin mekanik davranışları Birim hücre Görsel Maxwell kararlılık kriteri Mekanik davranış Basma yönüne dik kiriş RD Eşkenar dörtgensel on iki yüzlü b = 32 j = 14 M = −4 < 0 Eğilme baskın yapı Yok IT Iso truss b = 26 j = 9 M = 5 > 0 Gerinme baskın yapı Var RDIT Hibrit b = 58 j = 23 M = −5 < 0 Eğilme baskın yapı Var FCCZ Dikme ile güçlendirilmiş yüzey merkezli kübik b = 20 j = 12 M = −10 < 0 Eğilme baskın yapı Var RDFC Hibrit b = 52 j = 22 M = −8 < 0 Eğilme baskın yapı Var 35 Çizelge 3.2. RD, IT birim hücre ve RDIT hibrit kafes yapı tasarımları 30x30x30 mm RD (Tekil) IT (Tekil) Hibrit RDIT P1 a=7,5 mm 4x4x4 d=1,22 ρ∗= %22,5 d=1,25 ρ∗= %22,5 d=0,95 ρ∗= %22,9 P2 a=10 mm 3x3x3 d=1,63 ρ∗= %22,5 d=1,67 ρ∗= %22,5 d=1,25 ρ∗= %22,4 P3 a=15 mm 2x2x2 d=2,46 ρ∗= %22,8 d=2,52 ρ∗= %22,8 d=1,9 ρ∗= %22,9 P4 a=15 mm 2x2x2 d=3 t=0,73 ρ∗= %22,4 d=3 t=0,75 ρ∗= %22,9 d=3 t=0,5 ρ∗= %22,7 Çizelge 3.3. RD, FC ve RDFC kafes yapı tasarımları 30x30x30 mm RD (Tekil) FC (Tekil) Hibrit RDFC P1, M1 a=7,5 mm 4x4x4 d=1,22 ρ∗= %22,5 d=1,8 ρ∗= %22,6 d=1,02 ρ∗= %22,4 36 3.2. Polimer Kafes Yapılar, Malzeme Özellikleri ve Üretimi Polimer kafes yapılar, ABS benzeri reçine (ABS like resin) kullanılarak temel eklemeli imalat yöntemlerinden biri olan havuz foto polimerizasyonu yöntemi ile üretilmiştir. Aşağıda imalat yöntemi, üretim parametreleri ve malzeme mekanik özellikleri hakkında bilgiler verilmektedir. Havuz foto polimerizasyonu eklemeli imalat yöntemi Havuz foto polimerizasyonu yöntemi en eski eklemeli imalat yöntemidir. Bu yöntemde, temelde belirli bir dalga boyundaki ışıkla kürleşerek katı hale geçen sıvı polimer malzemeler kullanılır. Bu malzemeler genel olarak foto polimerler olarak adlandırılır (Dave vd., 2022; Gibson vd., 2021). Stereolitografi (SLA) foto polimerizasyon eklemeli imalat yöntemlerinin ilki olup 1986 yılında Charles Hull tarafından bulunmuştur. SLA yönteminde foto polimer malzemeyi kürleştirmek için lazer ışık kaynağı kullanılır (Şekil 3.4). Diğer bir yöntem olan dijital ışık sentezi (DLP- digital light processing) yönteminde ise benzer foto polimer malzemeyi kürleştirmek için ultraviyole (UV) ışık kaynağı olarak projektör kullanılmaktadır. Sıvı kristal ekran (liquid crystal display- LCD) eklemeli imalat yönteminde ise UV LED ışık kaynağı kullanılır (Şekil 3.4). Bu yöntemlerde parça hassasiyeti ışık kaynağının çözünürlüğüne bağlıdır (Y. Wu vd., 2023). Şekil 3.4. Eklemeli imalat yöntemleri, a) SLA b) DLP/ LCD (Y. Wu vd., 2023) 37 Polimer kafes yapıların üretimi ve parametreleri Polimer kafes yapılar, ALIAS marka endüstriyel ABS benzeri reçine malzeme kullanılarak sıvı kristal ekran (LCD) yöntemi ile üretilmiştir. CAD yazılımında oluşturulan tasarım STL formatına dönüştürülmüş ve sonrasında Shapeware dilimleme yazılımı ile yazdırılabilir format haline getirilmiştir. Üretim çalışmalarında Şekil 3.5’te gösterilen Rayshape Edge1 3B yazıcı kullanılmıştır. 3B yazıcı ile üretim sonrasında kafes yapıların üzerinde bulunan kürlenmemiş artık reçinelerin temizlenmesi amacıyla izopropil alkol havuzunda 6 dakika boyunca yıkanmıştır. Son aşama olarak üretilen kafes yapılar ShapeCure kürleme cihazında 40 °C sıcaklıkta 15 dakika boyunca kürlenmiştir. Her bir kafes yapı tipi tablaya paralel ve aynı üretim tablasında olacak şekilde üretimler tamamlanmıştır (Şekil 3.6). Polimer kafes yapıların bağıl yoğunlukları eşit olduğu için üretim süreleri ve kullanılan hammadde miktarı birbirine yakındır. Bu nedenle kafes yapıların birim maliyetleri aynı olarak kabul edilebilir. Polimer kafes yapılara ait üretim parametreleri Çizelge 3.4 ile verilmiştir. Şekil 3.5. Rayshape Edge1 LCD 3B yazıcı 38 Çizelge 3.4. Polimer kafes yapıların üretim parametreleri Üretim parametreleri Parametre değerleri Işık kaynağı ve dalga boyu LED, 405 nm Katman kalınlığı 50 µm Reçine viskozitesine göre bekleme süresi 1 s Reçineye göre maruz kalma süresi 2 s Yazdırma hızı 40 mm/sa Ortam sıcaklığı 25 °C Şekil 3.6. Polimer kafes yapı üretimi Polimer kafes yapı malzeme özellikleri Polimer kafes yapılarda kullanılan malzemenin mekanik özelliklerinin tespit edilmesi amacıyla ASTM D698-22 Plastiklerin Çekme Özellikleri için Standart Test Yöntemleri başlıklı standartta verilen ölçüleriyle Tip I çekme test numuneleri tasarlanmıştır (Şekil 3.7). Çekme test numuneleri, yazdırma yönü tablaya paralel ve dik olacak şekilde iki farklı yönde olmak üzere, kafes yapı parametreleri ile aynı parametreler kullanılarak 5’er adet üretilmiştir (Şekil 3.8). Şekil 3.7. ASTM D698-22 Tip I plastik çekme testi numunesi ölçüleri 39 Şekil 3.8. Çekme testi numuneleri ve üretim yönleri, a) tablaya paralel üretim yönü, b) tablaya dik üretim yönü Üretimi tamamlanan çekme testi numuneleri 100 kN kapasiteli yük hücresine sahip UVE marka MNR100 model üniversal çekme-basma test cihazı ile 5 mm/dk hızla test edilmiştir (Şekil 3.9). Şekil 3.9. Polimer malzeme çekme testi 40 Şekil 3.10. ABS benzeri polimer malzeme gerilme-birim şekil değiştirme grafikleri, a) tablaya paralel üretim yönü, b) tablaya dik üretim yönü Çekme testleri tamamlandıktan sonra Şekil 3.10 ile verilen gerilme-birim şekil değiştirme grafikleri oluşturulmuştur. Sonuçlar incelendiğinde numunelerin düşük uzama değerlerinde koptuğu ve malzemenin gevrek davranış gösterdiği görülmektedir. Test sonuçlarına ait veriler Çizelge 3.5 ve Çizelge 3.6’da gösterilmektedir. Çizelge 3.5. ABS benzeri polimer tablaya paralel üretim yönü çekme test verileri Numune En yüksek gerilme (MPa) Kopma uzaması (%) Elastisite modülü (GPa) XY-T1 42,76 3,7 1,90 XY-T2 42,84 4,75 1,76 XY-T3 35,42 2,94 1,70 XY-T4 39,24 4,69 1,70 XY-T5 37,85 3,15 1,75 Çizelge 3.6. ABS benzeri polimer tablaya dik üretim yönü çekme test verileri Numune En yüksek gerilme (MPa) Kopma uzaması (%) Elastisite modülü (GPa) Z-T1 42,89 4,9 1,80 Z-T2 45,76 4,5 1,85 Z-T3 41,08 3,2 1,82 Z-T4 43,01 4,4 1,74 Z-T5 44,41 5,6 1,78 41 3.3. Metal Kafes Yapılar, Malzeme Özellikleri ve Üretimi Metal kafes yapılar, Inconel 718 nikel-krom süper alaşım metal tozu kullanılarak, toz yatağında seçici lazer ergitme imalat yöntemiyle üretilmiştir. Aşağıda imalat yöntemi, üretim parametreleri, malzeme kompozisyonu ve mekanik özellikleri hakkında bilgiler verilmektedir. Toz yatağında seçici lazer ergitme eklemeli imalat yöntemi Bu yöntemin başlıca alt yöntemleri, seçici lazer sinterleme (selective laser sintering- SLS), seçici lazer ergitme (selective laser melting- SLM) ve elektron ışık demeti ile ergitme (electron beam melting- EBM) olarak belirtilebilir (Chen vd., 2021). Bahsedilen yöntemlerde metal ve polimer malzeme tozları geniş bir kullanım alanına sahipken seramik, kompozit gibi malzemeler de kullanılabilir (Gibson vd., 2021). Lazerle üretim yöntemlerinde ısı girdisi yüksek olmasından kaynaklı kalıntı gerilmeler oluşur. Bu gerilmeler parçanın yorulma dayanımını olumsuz yönde etkilemektedir. Ayrıca kalıntı gerilmeler parçanın çarpılmasına, parça üzerinde çatlaklara ve katman ayrışmalarına sebep olabilir (Chen vd., 2021). Toz yatağında ergitme eklemeli imalat yönteminde temel olarak; ergitme öncesi tozun serilmesini sağlayan toz serici, toz besleyici, lazer kaynağı ve tarayıcı ve üretim tablası bulunmaktadır (Şekil 3.11). Şekil 3.11. Toz yatağında ergitme eklemeli imalat yöntemi (Benedetti vd., 2021) 42 Metal kafes yapıların üretimi ve parametreleri Metal kafes yapılar, ENAVISION120 toz yatağında lazerle ergitme 3B yazıcısı ile üretilmiştir (Şekil 3.12). ERMAK A241-INC718 ticari adıyla sunulan ve ASTM F3055 standardında UNS N07718 koduyla belirtilen, bilinen adıyla Inconel 718 nikel-krom süper alaşım malzeme tozu kullanılmıştır. ASTM F3055 standardında verilen ve numune üretiminde kullanılan metal tozuna ait kompozisyon Çizelge 3.7’de verilmiştir. CAD yazılımında oluşturulan kafes yapı tasarımları STL formatına dönüştürülmüş ve sonrasında dilimleme yazılımı ile yazdırılabilir format haline getirilmiştir. Her bir kafes yapı konfigürasyonu tablaya paralel ve aynı üretim tablasında olacak şekilde üretimler tamamlanmıştır (Şekil 3.13). Metal kafes yapıların üretiminde kullanılan yazıcı parametreleri Çizelge 3.8’te verilmiştir. Şekil 3.12. ENAVISION120 toz yatağında lazerle ergitme 3B yazıcı 43 Şekil 3.13. Metal kafes yapı üretimi Çizelge 3.7. ASTM F3055 UNS N07718 malzeme kompozisyonu Element En büyük (%) En küçük (%) Ölçülen (%) Karbon - 0,08 0,01 Mangan - 0,35 0,10 Silisyum - 0,35 0,07 Fosfor - 0,015 0,005 Kükürt - 0,015 <0,001 Krom 17,0 21,0 19,1 Kobalt - 1,0 <0,1 Molibden 2,80 3,30 3,03 Niyobyum+ Tantalyum 4,75 5,50 5,16 Titanyum 0,65 1,15 0,96 Alüminyum 0,20 0,8 0,57 Demir Balans Bakır - 0,3 <0,1 Nikel 50,00 55,00 52,30 Bor - 0,006 0,002 44 Çizelge 3.8. Metal kafes yapıların üretim parametreleri Üretim parametreleri Parametre değerleri Lazer tipi Fiber lazer Lazer gücü 220 Watt Lazer odak çapı 0,075 mm Tarama hızı 800 mm/s Tarama boşluğu 0,1 mm Katman kalınlığı 30 µm Inconel 718 yüksek dayanımı, korozyon direnci ve yüksek sıcaklıklarda çalışabilme özelliği sayesinde hafif yapılarda, gaz türbinleri, roketler, uçaklar, nükleer reaktörler, pompalar ve kalıp uygulamalarında kullanılır (Lu vd., 2015; Z. Wang vd., 2024). Inconel 718 malzemenin mekanik özelliklerinin belirlenmesi için tablaya dik baskı yönüyle ve aynı parametrelerle üretilmiş üç farklı numuneye ait çekme testi verisi üretici firmadan temin edilmiştir. ASTM E8/E8M-24 Metalik Malzemelerin Çekme Testi için Standart Test Yöntemleri kapsamında 3 mm/dk çekme hızıyla elde edilen test verileri ile gerilme- birim şekil değiştirme grafikleri oluşturulmuştur (Şekil 3.14). Elastisite modülü 125 GPa olarak hesaplanan malzemenin diğer mekanik özellikleri Çizelge 3.9’da verilmiştir. Test verileri ve gerilme-birim şekil değiştirme grafiği incelendiğinde üç farklı test numunesine ait sonuçların birbirine çok yakın olduğu belirtilebilir. Şekil 3.14. Inconel 718 tablaya dik üretim yönü gerilme-birim şekil değiştirme grafiği 45 Çizelge 3.9. Inconel 718 tablaya dik üretim yönü çekme test verileri Numune %0,2 akma gerilmesi (MPa) En yüksek gerilme (MPa) Kopma uzaması (%) Z-T1 683,69 1018,02 33,53 Z-T2 682,92 1021,59 34,02 Z-T3 674,33 1018,53 34,37 46 3.4. Yarı Statik Basma Testleri Üretimi tamamlanan parçalar, üniversal çekme- basma test cihazı ile yarı statik basma koşullarında test edilmiştir. Test çalışmaları için Şekil 3.15’te verilen 100 kN kapasiteli yük hücresine sahip UVE marka MNR100 model üniversal çekme-basma test cihazı kullanılmıştır. Yalnızca FC-M1 adlı metal kafes yapının maksimum kuvvet değeri 100 kN değerinin üzerinde olduğu için 300 kN kapasiteli yük hücresine sahip Zwick/Roell marka Z300 model üniversal basma cihazı kullanılmıştır (Şekil 3.15). Şekil 3.15. UVE MNR100 100 kN (sol) ve Zwick Roell 300 kN (sağ) kapasiteli üniversal test cihazları Test cihazının sabit plakasının üzerine yerleştirilen test numuneleri, hareketli plaka hızı sabit 5 mm/dk olacak şekilde basma testi uygulanmıştır (Şekil 3.16). Test öncesinde kafes yapılar üzerine 20 N ön yük uygulanmıştır. Testler, basma yönü ile numunelerin yazdırma 47 doğrultusu aynı olacak şekilde yapılmıştır. Deplasman kontrolü ile sabit hızda ilerleyen hareketli plaka ile test numuneleri yüksekliğinin %60’ına kadar basılması sağlanmıştır. Şekil 3.16. Test cihazı numune yerleşimi Test çalışmalarında hareketli plakanın düşey doğrultuda ilerlediği mesafe ve yük hücresinden alınan kuvvet değerleri kaydedilmiştir. Ayrıca her bir numunenin basma testi aşamasında video kayıt cihazı ile görüntü toplanmıştır (Şekil 3.17). Şekil 3.17. Video kayıt cihazı ve sabitleme düzeneği 48 3.5. Nümerik Analiz Çalışmaları Nümerik analiz çalışmaları, Inconel 718 toz malzemeden üretilen ve RD, FC ve hibrit RDFC olarak adlandırılan metal kafes yapılar için LS- DYNA çoklu fizik sonlu elemanlar yazılımı kullanılarak yapılmıştır. Doğrusal olmayan (nonlinear) sonlu elemanlar analiz çalışmaları, açık zaman (explicit) integrasyonu olarak gerçekleştirilmiştir. Kafes yapıların analiz çalışmasında, Şekil 3.18’de gösterildiği gibi katı modelde tasarlandığı kiriş çapı ve üretim sonrası ölçülen kütleye eşit olacak biçimde hesaplanan kiriş çapı olarak iki farklı kiriş çapı kullanılmıştır. Analiz çalışması yapılan kafes yapılara ait kiriş çapı değerleri Çizelge 3.10 ile verilmiştir. Şekil 3.18. RD kafes yapı tasarım ve üretim çapları Çizelge 3.10. Metal kafes yapılar tasarım ve üretim çapı değerleri Kafes yapı Tasarım kiriş çapı Üretim sonrası kütleden hesaplanan kiriş çapı Eşkenar dörtgensel on iki yüzlü (RD) 1,22 mm 1,15 mm Dikme ile güçlendirilmiş yüzey merkezli kübik (FCCZ) 1,8 mm 1,74 mm RDFC hibrit kafes yapı 1,02 mm 0,97 mm 49 Analiz modelinin hazırlanması Catia V5R19 bilgisayar destekli tasarım yazılımında kafes yapılara ek olarak basma test cihazında bulunan plakaları benzetecek şekilde 50x50 mm boyutlarında ve 1 mm kalınlığında plakalar tasarlanmıştır. Test başlangıcında olduğu gibi iki plaka arasına kafes yapı yerleştirilerek montaj dosyası haline getirilmiş ve katı model .stp dosya formatında kaydedilmiştir (Şekil 3.19). Sonrasında LS-PrePost yazılımında içe aktarılarak analiz modeli kurulmuştur. LS-PrePost yazılımı, analiz öncesi modelin oluşturulduğu ve çözüm sonrasında verilerin işlendiği bir arayüzdür. Şekil 3.19. RD kafes yapı analizi için hazırlanan örnek katı model Sınır koşulları ve ağ (mesh) yapısının oluşturulması Analiz modelinin (Şekil 3.21) hazırlanmasında en önemli adımlardan birisi, ağ yapısının oluşturulmasıdır. Ağ yapısı LS-PrePost yazılımı kullanılarak, kafes yapılarda, dört ve on düğüm noktalı (4node ve 10node) dört yüzlü (tetrahedron) katı elemanlar ile oluşturulmuştur. Basma plakalarında ise sekiz düğüm noktalı altı yüzlü (hexahedron) katı eleman tipi kullanılmıştır (Şekil 3.20). Şekil 3.20. Dört yüzlü (tetrahedron) ve altı yüzlü (hexahedron) elemanlar 50 Kafes yapı şekil değiştirebilir, basma plakaları ise rijit olarak tanımlanmıştır. Test cihazında olduğu gibi, alt rijit plaka sabit olup, üst rijit plakaya hareket verilmiştir. Üst rijit plakanın hızı sabit 1000 mm/s olarak atanmıştır. Kafes yapının ezilmesi esnasında kirişlerin temas ederek birbiri üzerinde kayarak hareket edeceği durum için “CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE” kontak kartı tanımlanmıştır ve sürtünme katsayısı 0,36 alınmıştır. Üst ve alt rijit plakalar ile kafes yapının temas ettiği yüzeyler arasında ise “CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE” kontak kartı tanımlanmış ve sürtünme katsayısı 0,2 alınmıştır. Şekil 3.21. RD kafes yapı örnek nümerik analiz modeli ve ağ yapısı Malzeme modeli Kafes yapılar ve basma plakaları için farklı malzeme kartları kullanılmıştır. Kafes yapı için “MAT24_PIECEWISE_ LINEAR_PLASTICITY” lineer plastisite malzeme kartı kullanılmıştır. Inconel 718 malzemenin Şekil 3.14’de verilen çekme testi sonuçlarından Z-T2 numaralı numuneye ait test verileri kullanılarak Çizelge 3.11’de verilen malzeme kartı oluşturulmuştur. Ayrıca akma sonrası plastik bölgeyi tanımlamak için, MAT24 malzeme kartına girilmesi gereken gerçek gerilme-plastik birim şekil değiştirme eğrisi aşağıda verilen denklemlerle hesaplanarak malzeme kartına tanımlanmıştır. Bu hesaplar sonucunda elde edilen veriler Şekil 3.22 ve Çizelge 3.12’de verilmiştir. 51 Çizelge 3.11. Inconel 718 malzeme mekanik özellikleri Yoğunluk Elastisite Modülü Poisson Oranı Akma Mukavemeti 8,19 g/cm3 125 GPa 0,3 683 MPa Gerçek birim şekil değiştirme; 𝜀𝑡 = 𝑙𝑛(1 + 𝜀) 3.1 Gerçek gerilme; 𝜎𝑡 = 𝜎 ∗ (1 + 𝜀) 3.2 Plastik bölge birim şekil değiştirme; 𝜀𝑝 = 𝜀𝑡 − ( 𝜎𝑡 𝐸 ) 3.3 Şekil 3.22. Inconel 718 gerçek gerilme-plastik birim şekil değiştirme eğrisi Çizelge 3.12. Inconel 718 gerçek gerilme- plastik birim şekil değiştirme değerleri 𝜀𝑝 0 0,0249 0,0538 0,0841 0,1155 0,1481 0,1822 0,2206 𝜎𝑡 688,60 833,49 929,94 1014,14 1092,00 1163,54 1227,98 1286,92 Sabit ve hareketli rijit plakalar için “MAT20_RIGID” rijit malzeme kartı kullanılmıştır. Malzeme özellikleri Çizelge 3.13’te verilmiştir. Çizelge 3.13. Rijit plaka malzeme özellikleri Yoğunluk Elastisite Modülü Poisson Oranı 7,85 g/cm3 200 GPa 0,3 52 Ağ yapısı hassasiyet analizi Üç farklı kafes yapıya ait analiz modellerinin oluşturulmasından önce eşkenar dörtgensel on iki yüzlü (RD) kafes yapı tasarımıyla ağ yapısı hassasiyet analizi yapılarak, eleman boyutlarının analiz sonuçlarına etkisi incelenmiştir. Bu çalışma için Şekil 3.23’de gösterildiği gibi 0,3, 0,4, 0,5, 0,6 ve 0,8 mm boyutlarında elemanlar ile oluşturulan ağ yapısı ile aynı sınır koşullarında analiz çalışması yapılmıştır. Şekil 3.23. RD kafes yapı için farklı ele