Eklemeli imalat alanında kullanılan bağlantı elemanlarının araştırılması ve yeni tasarımların ortaya çıkarılması

Abstract

Eklemeli imalat, hafif ve geometrik açıdan karmaşık yapıların üretimini mümkün kılmakta ve bu yapılar yük taşıyıcı mühendislik uygulamalarında giderek daha fazla kullanılmaktadır. Bununla birlikte, eklemeli imalatla üretilen bileşenlerde bağlantı arayüzlerinin mekanik güvenilirliği, özellikle polimer tabanlı kafes yapılar mekanik bağlantı elemanları ile birleştirildiğinde önemli bir zorluk oluşturmaktadır. Bu çalışmada, eksenel çekme yükü altında fonksiyonel olarak derecelendirilmiş üçlü periyodik minimal yüzey (TPMS) kafes yapılarının mekanik performansı nümerik olarak incelenmiştir. Gyroid, Diamond ve Schwarz-P TPMS kafes yapıları nTop programı yardımıyla tasarlanmış, bağıl yoğunluk (%65, %75, %85 ve %100 katı yapı) ve bağlantı elemanı türünün etkisi değerlendirilmiştir.

Bağlantı sistemleri, yerleştirme yöntemleri ve yük aktarım mekanizmalarına göre üç gruba ayrılmıştır: Birinci grup ısı uygulanarak yerleştirilen doğrudan etkileşimli insert sistemlerini (Helisel İnsert ve Düz İnsert) içermektedir. İkinci grup ısıl işlem olmaksızın mekanik tutunma sağlayan insert sistemlerinden (Altıköşe Başlı Pres İnsert, Ahşap İnsert, Helicoil İnsert, Genleşen İnsert ve Kendinden Kılavuzlu İnsert) oluşmaktadır. Üçüncü grup ise gömülü/iç bağlantı elemanı sistemlerini (Ağaç Somun, Kare Somun ve Altıköşe Başlı Somun) kapsamaktadır. Sonlu eleman analizleri (SEA), ANSYS Workbench ortamında 500 N eksenel çekme yükü altında gerçekleştirilmiş; deformasyon, eşdeğer von Mises gerilmesi ve gerinim davranışı değerlendirilmiştir.

Sonuçlar, bağıl yoğunluğun artmasının tüm konfigürasyonlarda deformasyon ve gerilme yoğunlaşmalarını azalttığını göstermiştir. Isıl sistemlerde (1. Grup) Düz İnsert, mekanik sistemlerde (2. Grup) Helicoil ve Ahşap İnsert daha üstün mekanik performans sergilerken, Genleşen İnsert tüm doğrudan etkileşimli aparatlar arasında en yüksek deformasyon ve gerilme değerlerini göstermiştir. Gömülü sistemlerde (3. Grup) ise Ağaç Somun en düşük deformasyon ve gerilme değerlerini üretmiştir. TPMS topolojileri arasında Diamond yapısı, özellikle yüksek yoğunluklarda, daha homojen yük aktarımı ve üstün mekanik performans göstermiştir. Bulgular, optimize edilmiş TPMS tasarımının uygun bağlantı elemanı seçimi ile birleştirilmesinin, eklemeli imalatla üretilen yük taşıyıcı bileşenlerin mekanik güvenilirliğini önemli ölçüde artırabileceğini göstermektedir.Additive manufacturing enables the fabrication of lightweight and geometrically complex structures, making them increasingly attractive for load-bearing engineering applications. However, the mechanical reliability of joint interfaces in additively manufactured components remains a significant challenge, particularly when polymer-based lattice structures are combined with mechanical fastening systems. In this study, the mechanical performance of functionally graded Triply Periodic Minimal Surface (TPMS) lattice structures under axial pull-out loading was numerically investigated. Gyroid, Diamond, and Schwarz-P TPMS lattice structures were designed using nTop software, and the effects of relative density (65%, 75%, 85%, and 100% solid) and fastening system type were evaluated.

The fastening systems were classified into three groups according to their installation method and load-transfer mechanism. The first group consisted of thermally installed direct-interaction insert systems, including helical knurl inserts and straight knurl inserts. The second group comprised mechanically retained insert systems, including hexagonal press-fit inserts, Woodfit inserts, Helicoil inserts, expanding inserts, and self-tapping threaded inserts. The third group consisted of embedded/internal fastening systems, including Woodfit nuts, square nuts, and hexagonal nuts. Finite Element Analyses (FEA) were performed in ANSYS Workbench 2025 R2 under a 500 N axial pull-out load. Total deformation, equivalent von Mises stress, and equivalent strain were evaluated.

The results demonstrated that increasing the relative density reduced deformation and stress concentrations across all configurations. Within the thermally installed systems (Group 1), the straight threaded insert exhibited the best mechanical performance. Among the mechanically retained insert systems (Group 2), the Helicoil insert and Woodfit insert showed superior mechanical performance, whereas the expanding insert produced the highest deformation and stress values among all direct-interaction fastening systems. Within the embedded/internal fastening systems (Group 3), the Woodfit nut exhibited the lowest deformation and stress values. Among the investigated TPMS topologies, the Diamond structure demonstrated more uniform load transfer and superior mechanical performance, particularly at higher relative densities. These findings indicate that combining optimized TPMS lattice structures with an appropriate fastening system can significantly improve the mechanical reliability of load-bearing components manufactured by additive manufacturing.