Eklemeli İmalat Yöntemi ile Üretilmiş Alüminyum Alaşımlarının Malzeme Yapısal Parametrelerinin Belirlenmesi Üzerine Bir Derleme

Yıl 2021, Cilt: 2 Sayı: 1, 49 - 60, 30.04.2021

Murat Aktürk Mehmet Erdi Korkmaz

Öz

Eklemeli İmalat (Eİ) teknolojileri, plastik, seramik, kompozit ve metal alaşımları gibi bilindik malzemelerin yanı sıra çikolata, hamur, alçı, beton gibi spesifik malzemelerin de üretimde kullanılabilmesini sağlamaktadır. Ancak üretimlerin büyük bir kısmında yaygın olarak metaller ve alaşımlar ham madde olarak kullanılmaktadır. Alüminyum alaşımları ise bu ham maddeleri içerisinde önemli bir yere sahiptir. Hafif, ucuz ve termal iletkenliği yüksek malzemeler olduğu için alüminyum alaşımları, havacılık, uzay, otomotiv ve ev aletleri gibi hayatımızın her alanında yer aldığından eklemeli imalat materyalleri içerisinde de önemli bir yere sahiptir. Diğer malzemelerde de olduğu gibi alüminyum alaşımları da üretim sırasında plastik deformasyona maruz kalmaktadır. Oluşacak deformasyonun miktarı ve malzemenin uygulanacak etkilere göstereceği tepkilerin önceden bilinmesi üretim sağlığı açısından önemlidir. Plastik deformasyon süresince kullanılacak işleme parametreleri deneysel çalışmalar ve/veya sonlu elemanlar yöntemini esas alan nümerik analizlerin yapıldığı simülasyon programları ile optimize edilebilmektedir. Bu simulasyonlar zaman ve maliyet açısından deneysel çalışmalara kıyasla daha fazla avantaja sahiptir. Ancak doğru ve kullanılabilir sonuçların elde edilebilmesi için kullanılacak malzeme modeline ait parametrelerin doğru biliniyor olması gerekmektedir. Doğru parametreler kullanılarak yapılan simülasyonlardan elde edilen sonuçlar deneysel çalışma sonuçları ile daha fazla benzerlik göstermektedir. Bu derlemede, Eİ endüstrisinde yaygın olarak kullanılan alüminyum alaşımlarının malzeme yapısal parametreleri hakkında güncel bilgiler verilmiştir.

Anahtar Kelimeler

Eklemeli İmalat, Alüminyum alaşımı, Malzeme yapısal parametreleri, Johnson-Cook

Destekleyen Kurum

Karabük Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Koordinatörlüğü

Proje Numarası

FYL-2020-2305

Teşekkür

Bu çalışma Karabük Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri tarafından desteklenmiştir (Proje no: FYL-2020-2305).

Kaynakça

• [1] J.C. Williams, E.A. Starke, Progress in structural materials for aerospace systems, Acta Mater. 51 (2003) 5775–5799. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2003.08.023.
• [2] A. Heinz, A. Haszler, C. Keidel, S. Moldenhauer, R. Benedictus, W.S. Miller, Recent development in aluminium alloys for aerospace applications, Mater. Sci. Eng. A. 280 (2000) 102–107. https://doi.org/10.1016/S0921-5093(99)00674-7.
• [3] C. Kammer, C. Kammer, Aluminium Handbook, Aluminium-Verlag Marketing &Kommunikation GmbH, Germany, 1999, pp. 61–73, 1999.
• [4] J. Zhang, B. Song, Q. Wei, D. Bourell, Y. Shi, A review of selective laser melting of aluminum alloys: Processing, microstructure, property and developing trends, J. Mater. Sci. Technol. 35 (2019) 270–284. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2018.09.004.
• [5] C. Cui, Y.T. Shen, F.B. Meng, S.B. Kang, Review on fabrication methods of in situ metal matrix composites, J. Mater. Sci. Technol. 16 (2000) 619–626.
• [6] S. Ranganath, A Review on Particulate-Reinforced Titanium Matrix Composites, J. Mater. Sci. 32 (1997) 1–16.
• [7] S.C. Tjong, Z.Y. Ma, Microstructural and mechanical characteristics of in situ metal matrix composites, Mater. Sci. Eng. R Reports. 29 (2000) 49–113. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/S0927-796X(00)00024-3.
• [8] W. Kasprzak, D.L. Chen, S.K. Shaha, Heat Treatment Development for a Rapidly Solidified Heat Resistant Cast Al-Si Alloy, J. Mater. Eng. Perform. 22 (2013) 1839–1847. https://doi.org/10.1007/s11665-013-0578-z.
• [9] W. Li, K. Yang, S. Yin, X. Yang, Y. Xu, R. Lupoi, Solid-state additive manufacturing and repairing by cold spraying: A review, J. Mater. Sci. Technol. 34 (2018) 440–457. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2017.09.015.
• [10] R.S. Mishra, Z.Y. Ma, Friction stir welding and processing, Mater. Sci. Eng. R Reports. 50 (2005) 1–78. https://doi.org/10.1016/j.mser.2005.07.001.
• [11] F. Nie, H. Dong, S. Chen, P. Li, L. Wang, Z. Zhao, X. Li, H. Zhang, Microstructure and Mechanical Properties of Pulse MIG Welded 6061/A356 Aluminum Alloy Dissimilar Butt Joints, J. Mater. Sci. Technol. 34 (2018) 551–560. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2016.11.004.
• [12] X. Qiu, N. ul H. Tariq, L. Qi, J.Q. Wang, T.Y. Xiong, A hybrid approach to improve microstructure and mechanical properties of cold spray additively manufactured A380 aluminum composites, Mater. Sci. Eng. A. 772 (2020). https://doi.org/10.1016/j.msea.2019.138828.
• [13] M.L. Montero Sistiaga, R. Mertens, B. Vrancken, X. Wang, B. Van Hooreweder, J.P. Kruth, J. Van Humbeeck, Changing the alloy composition of Al7075 for better processability by selective laser melting, J. Mater. Process. Technol. 238 (2016) 437–445. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2016.08.003.
• [14] ASTM International, “ASTM F2792-12a,” Rapid Manuf. Assoc., pp. 1– 3, 2013., (2013) 1–3.
• [15] S. Efe, Fdm ti̇pi̇ 3 boyutlu yazicilardaki̇ örgü parametreleri̇ni̇n ürün dayanimina etki̇si̇, Sakarya Üniversitesi, 2020.
• [16] B. Yen, Y. Yao, Three Dimensional (3D) Printing - Jolts on Supply Chain Management and the Chinese Manufacturing Industry, (2015) 1–20.
• [17] P. Rošker, M. Shellabear, E-manufacturing with laser-sintering - to series production and beyond, in: 2004.
• [18] J. Alcisto, A. Enriquez, H. Garcia, S. Hinkson, T. Steelman, E. Silverman, P. Valdovino, H. Gigerenzer, J. Foyos, J. Ogren, J. Dorey, K. Karg, T. McDonald, O.S. Es-Said, Tensile properties and microstructures of laser-formed Ti-6Al-4V, J. Mater. Eng. Perform. 20 (2011) 203–212. https://doi.org/10.1007/s11665-010-9670-9.
• [19] G. ÖZER, Eklemeli Üretim Teknolojileri Üzerine Bir Derleme, Ömer Halisdemir Üniversitesi Mühendislik Bilim. Derg. 9 (2020) 606–621. https://doi.org/10.28948/ngumuh.626011.
• [20] M. Özyeşildağ, Eklemeli Üretim Teknolojileri İçin Çok İşlevli Grafen Katkılı Nanokompozit Malzemelerin Üretilmesi ve Geliştirilmesi, Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi, 2019.
• [21] E. Koç, C. Gökçöl, 3D Printing Technology Methods and Materials, Electron. J. Vocat. Coll. (2018) 89–90.
• [22] M. Ruffo, C. Tuck, R. Hague, Make or buy analysis for rapid manufacturing, Rapid Prototyp. J. 13 (2007) 23–29. https://doi.org/10.1108/13552540710719181.
• [23] P. Nugent, 15 Rotational Molding, Second Edi, Elsevier Inc., 2017. https://doi.org/10.1016/B978-0-323-39040-8/00015-8.
• [24] H. Baş, Eriyik Yığma Tekniği ile Çalışan Üç Boyutlu Yazıcı Tasarımı, İmalatı ve Elde Edilen Numunelerin Bazı Özelliklerinin Belirlenmesi, Ondokuz Mayıs Üniversitesi, 2017.
• [25] İ. Özgen, Endüstri 4.0’da Robotik ve Eklemeli Üretim Teknolojilerinin Farklı Rekabet ve Üretim Senaryoları Altında Stratejik Analizi, İstanbul Teknik Üniversitesi, 2019.
• [26] K. Kellens, M. Baumers, T.G. Gutowski, W. Flanagan, R. Lifset, J.R. Duflou, Environmental Dimensions of Additive Manufacturing: Mapping Application Domains and Their Environmental Implications, J. Ind. Ecol. 21 (2017) S49–S68. https://doi.org/https://doi.org/10.1111/jiec.12629.
• [27] E. Atzeni, M. Barletta, F. Calignano, L. Iuliano, G. Rubino, V. Tagliaferri, Abrasive Fluidized Bed (AFB) finishing of AlSi10Mg substrates manufactured by Direct Metal Laser Sintering (DMLS), Addit. Manuf. 10 (2016) 15–23. https://doi.org/10.1016/j.addma.2016.01.005.
• [28] E. Brandl, U. Heckenberger, V. Holzinger, D. Buchbinder, Additive manufactured AlSi10Mg samples using Selective Laser Melting (SLM): Microstructure, high cycle fatigue, and fracture behavior, Mater. Des. 34 (2012) 159–169. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2011.07.067.
• [29] F. Gül, AlSi10Mg Döküm Alaşımlarının Bazı Mekanik Özellikleri Üzerine İkincil Yaşlandırma İşleminin Etkisi, Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bilim. Enstitüsü Derg. 18 (2014) 30–37.
• [30] A. Hadadzadeh, B.S. Amirkhiz, J. Li, M. Mohammadi, Columnar to equiaxed transition during direct metal laser sintering of AlSi10Mg alloy: Effect of building direction, Addit. Manuf. 23 (2018) 121–131. https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.08.001.
• [31] E. Zaretsky, A. Stern, N. Frage, Dynamic response of AlSi10Mg alloy fabricated by selective laser melting, Mater. Sci. Eng. A. 688 (2017) 364–370. https://doi.org/10.1016/j.msea.2017.02.004.
• [32] B. Nurel, M. Nahmany, N. Frage, A. Stern, O. Sadot, Split Hopkinson pressure bar tests for investigating dynamic properties of additively manufactured AlSi10Mg alloy by selective laser melting, Addit. Manuf. 22 (2018) 823–833. https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.06.001.
• [33] A.D. Brandão, J. Gumpinger, M. Gschweitl, C. Seyfert, P. Hofbauer, T. Ghidini, Fatigue Properties of Additively Manufactured AlSi10Mg-Surface Treatment Effect, Procedia Struct. Integr. 7 (2017) 58–66. https://doi.org/10.1016/j.prostr.2017.11.061.
• [34] L. Hitzler, C. Janousch, J. Schanz, M. Merkel, B. Heine, F. Mack, W. Hall, A. Öchsner, Direction and location dependency of selective laser melted AlSi10Mg specimens, J. Mater. Process. Technol. 243 (2017) 48–61. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2016.11.029.
• [35] A. Hadadzadeh, B.S. Amirkhiz, A. Odeshi, M. Mohammadi, Dynamic loading of direct metal laser sintered AlSi10Mg alloy: Strengthening behavior in different building directions, Mater. Des. 159 (2018) 201–211. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2018.08.045.
• [36] M. Cabrini, S. Lorenzi, T. Pastore, S. Pellegrini, E.P. Ambrosio, F. Calignano, D. Manfredi, M. Pavese, P. Fino, Effect of heat treatment on corrosion resistance of DMLS AlSi10Mg alloy, Electrochim. Acta. 206 (2016) 346–355. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2016.04.157.
• [37] C. Zhang, H. Zhu, H. Liao, Y. Cheng, Z. Hu, X. Zeng, Effect of heat treatments on fatigue property of selective laser melting AlSi10Mg, Int. J. Fatigue. 116 (2018) 513–522. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2018.07.016.
• [38] E. Beevers, A.D. Brandão, J. Gumpinger, M. Gschweitl, C. Seyfert, P. Hofbauer, T. Rohr, T. Ghidini, Fatigue properties and material characteristics of additively manufactured AlSi10Mg – Effect of the contour parameter on the microstructure, density, residual stress, roughness and mechanical properties, Int. J. Fatigue. 117 (2018) 148–162. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2018.08.023.
• [39] T. Maconachie, M. Leary, J. Zhang, A. Medvedev, A. Sarker, D. Ruan, G. Lu, O. Faruque, M. Brandt, Effect of build orientation on the quasi-static and dynamic response of SLM AlSi10Mg, Mater. Sci. Eng. A. 788 (2020) 139445. https://doi.org/10.1016/j.msea.2020.139445.
• [40] Y. Zhao, J. Sun, J. Li, Y. Yan, P. Wang, A comparative study on Johnson-Cook and modified Johnson-Cook constitutive material model to predict the dynamic behavior laser additive manufacturing FeCr alloy, J. Alloys Compd. 723 (2017) 179–187. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2017.06.251.
• [41] X. Xing, X. Duan, X. Sun, H. Gong, L. Wang, F. Jiang, Modification of residual stresses in laser additive manufactured AlSi10Mg specimens using an ultrasonic peening technique, Materials (Basel). 12 (2019). https://doi.org/10.3390/ma12030455.
• [42] E. Segebade, M. Gerstenmeyer, S. Dietrich, F. Zanger, V. Schulze, Influence of anisotropy of additively manufactured AlSi10Mg parts on chip formation during orthogonal cutting, Procedia CIRP. 82 (2019) 113–118. https://doi.org/10.1016/j.procir.2019.04.043.
• [43] X. Qian, X. Peng, Y. Song, J. Huang, Y. Wei, P. Liu, X. Mao, J. Zhang, L. Wang, Dynamic constitutive relationship of CuCrZr alloy based on Johnson-Cook model, Nucl. Mater. Energy. 24 (2020) 100768. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.nme.2020.100768.
• [44] Z. hua Li, Y. fei Nie, B. Liu, Z. zhou Kuai, M. Zhao, F. Liu, Mechanical properties of AlSi10Mg lattice structures fabricated by selective laser melting, Mater. Des. 192 (2020) 108709. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.108709.
• [45] M. Samantaray, D. Nath Thatoi, S. Sahoo, Finite Element Simulation of Heat Transfer in Laser Additive Manufacturing of AlSi10Mg Powders, Mater. Today Proc. 22 (2019) 3001–3008. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.03.435.
• [46] S. Liu, H. Zhu, G. Peng, J. Yin, X. Zeng, Microstructure prediction of selective laser melting AlSi10Mg using finite element analysis, Mater. Des. 142 (2018) 319–328. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2018.01.022.
• [47] P. Wang, H. Lei, X. Zhu, H. Chen, D. Fang, Influence of manufacturing geometric defects on the mechanical properties of AlSi10Mg alloy fabricated by selective laser melting, J. Alloys Compd. 789 (2019) 852–859. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.03.135.
• [48] M. Costas, D. Morin, M. de Lucio, M. Langseth, Testing and simulation of additively manufactured AlSi10Mg components under quasi-static loading, Eur. J. Mech. A/Solids. 81 (2020) 103966. https://doi.org/10.1016/j.euromechsol.2020.103966.