Yönlendirilmiş enerji bırakımlı eklemeli imalat süreçlerinde meydana gelen metalurjik faz dönüşümlerinin sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak benzetilmesi

Abstract

Son yıllarda popülerlik kazanmış olan eklemeli imalat teknolojileri kullanılarak önceden imalatı veya tamiri oldukça zor veya imkânsız olan yapısal parçalar metalik, seramik, polimer ve karma malzemeler kullanılarak imal edilebilmektedir [1]. Bu teknolojilerin en önemli öne çıkan avantajlarından biri tek aşamada oldukça karmaşık geometri ve topolojilere sahip objelerin imalatına olanak sağlamalarıdır. Özellikle metal katmanlı imalat süreçlerinde, lazer/elektron demeti ile eritme ve sonrası katılaşma çevrimleri sırasında meydana gelen kompleks termal gradyanlar, imal edilecek parçaların nihai geometrilerini, mekanik özelliklerini ve mikro yapılarını doğrudan etkilemektedir. Bu noktada, ısı kaynağının etkisi ve malzeme biriktirme süreci eklemeli imalat süreçlerinde prensipte değiştirilebileceği için parçaların nihai mekanik ve mikro yapısal özellikleri bu yöntemde kontrol edilebilir [2]. Öte yandan, metal katmanlı imalat süreçleri boyunca meydana gelen mekanik ve mikro yapısal değişimlerin deneysel olarak gözlemlenmesi zor ve parametre sayısı dikkate alındığında çok pahalı ve zaman alıcıdır. Bu yüzden, metal katmanlı imalat süreçlerinin sayısal benzetim modelleri mikro yapıların ve mekanik davranışın imalat süreci boyunca tahmin ve kontrol edilebilmesi için güzel bir alternatif sunmaktadır [3-5]. Benzer bir motivasyonla hazırlanan bu çalışmada, Ti–6Al–4V alaşımının kullanıldığı yönlendirilmiş enerji bırakımlı eklemeli imalat süreçlerinde [3,6] meydana gelen katı hal faz dönüşümlerinin sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak tahmin edilmesine olanak sağlayan bir benzetim modeli geliştirilmiştir. Süreç-mikro yapı benzetim modeli Abaqus yazılımına Fortran ve Python programlama dilleriyle yazılarak entegre edilen alt programlar ile geliştirilmiştir. Python programlama dili kullanılarak geliştirilen kodlar Abaqus içine gömülerek dinamik sonlu elemanlar termal süreç modeli oluşturulmuştur. Lazer kaynağının hareketinin, metal ile etkileşiminin ve lazer model parametrelerin tanımlanması için DFLUX kullanıcı alt kodu Fortran programı ile Abaqus içinde tanımlanmıştır. Abaqus içinde kullanıcıların her bir zaman adımında, alan çıktılarını kullanarak (örneğin sıcaklık alanı) yeni alan çıktılarını (örneğin mikro yapısal faz oranları) üretmesine olanak sağlayan USDFLD kullanıcı alt kodu ile hem termal alan çıktıları hem de metalürjik alan çıktıları bağdaşık olarak elde edilmiştir. Benzetim sonuçları, geliştirilen modelin büyük ölçekli yapısal parçaların yönlendirilmiş enerji bırakımlı eklemeli imalatı süreçlerinde malzeme içinde oluşan faz dağılımının sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak etkin şekilde tahmin edilebileceğini göstermiştir.