Eklemeli imalat alanında çok parçalı yapıların arayüzlerinde kullanılan kenetlenme geometrilerinin optimizasyonu

Abstract

Eklemeli imalat teknolojilerindeki gelişmeler, farklı malzeme özelliklerinin tek bir yapıda birleştirilmesine olanak tanıyan Çoklu Malzeme Eklemeli İmalat (MMAM) yöntemini ön plana çıkarmıştır. Ancak, termoplastik malzemelerin kimyasal uyumsuzluğu ve termal genleşme farkları, malzeme arayüzlerinde zayıf yapışmaya ve mekanik performans kayıplarına neden olmaktadır. Bu tez çalışmasında, malzeme arayüzlerindeki bağ dayanımını artırmak ve gerilme dağılımını iyileştirmek amacıyla geometrik makro-kenetlenme stratejileri geliştirilmiş ve optimize edilmiştir. Çalışma kapsamında, T-bağlantı, Kırlangıç bağlantı ve Dairesel bağlantı olmak üzere üç farklı bağlantı modeli tasarlanmıştır. Bu geometrilerin mekanik davranışları, Sonlu Elemanlar Yöntemi (SEY) kullanılarak simüle edilmiş ve von-Mises eşdeğer gerilme dağılımları analiz edilmiştir. Geometrik parametrelerin (açı, boyun genişliği, yarıçap, gömülme derinliği vb.) arayüz performansı üzerindeki etkilerini belirlemek için Box-Behnken deney tasarımı ve Yanıt Yüzey Metodu (YYM) kullanılmıştır. Elde edilen matematiksel modeller ışığında, Çok Amaçlı Genetik Algoritma (MOGA) kullanılarak her bir eklem tipi için optimum geometrik parametreler belirlenmiştir. Analiz sonuçları, T-Bağlantı modelinde keskin köşelerin ciddi gerilme yığılmalarına neden olduğunu; Kırlangıç kuyruğu Bağlantı modelinde ise kilitlenme derinliği artışının tutunmayı artırmasına rağmen boyun bölgesinde çentik etkisi yarattığını göstermiştir. MOGA ile optimize edilen Kırlangıç kuyruğu geometrisinde bu etki minimize edilmiştir. Çalışmanın en çarpıcı bulgusu ise Dairesel Bağlantı modelinde elde edilmiştir. Dairesel formun sağladığı geometrik süreklilik sayesinde, optimize edilen Dairesel Bağlantı tasarımı, diğer modellere kıyasla gerilmeyi arayüz boyunca en homojen şekilde dağıtmış ve von-Mises gerilme değerlerinde önemli düşüşler sağlamıştır. Gerçekleştirilen optimizasyon çalışmaları sonucunda von-Mises eşdeğer gerilme değerlerinde belirgin iyileşmeler kaydedilmiş olup; bu azalma oranları T-Bağlantı modeli için %7.94, Kırlangıç kuyruğu Bağlantı modeli için %13.08 ve Dairesel Bağlantı modeli için ise %7.96 olarak gerçekleşmiştir. Bu çalışma, MMAM ile üretilen parçaların birleşim noktalarındaki kenetlenme arayüz geometrilerinin parametrik optimizasyonunun, yapısal bütünlüğü ve mekanik performansı artırmada kritik bir rol oynadığını ortaya koymaktadır.

Advancements in additive manufacturing technologies have brought Multi-Material Additive Manufacturing (MMAM) to the forefront, enabling the integration of distinct material properties within a single structure. However, the chemical incompatibility and thermal expansion mismatches of thermoplastic materials lead to weak adhesion at material interfaces and subsequent losses in mechanical performance. In this thesis study, geometric macro-interlocking strategies were developed and optimized to enhance bond strength at material interfaces and improve stress distribution. Within the scope of the study, three distinct connection models, namely T-Joint, Dovetail Joint, and Dairesel Joint, were designed. The mechanical behaviors of these geometries were simulated using the Finite Element Method (FEM), and von-Mises equivalent stress distributions were analyzed. Box-Behnken experimental design and Response Surface Methodology (RSM) were employed to investigate the influence of geometric parameters (angle, neck width, radius, embedding depth, etc.) on interface performance. Based on the derived mathematical models, the optimum geometric parameters for each joint type were determined using the Multi-Objective Genetic Algorithm (MOGA). The analysis results revealed that sharp corners in the T-Joint model caused severe stress concentrations, whereas in the Dovetail Joint model, although increasing the interlocking depth enhanced retention, it induced a notch effect in the neck region. This effect was minimized in the Dovetail geometry optimized via MOGA. The most notable finding of the study was observed in the Dairesel Joint model. Owing to the geometric continuity provided by its circular form, the optimized Dairesel Joint design distributed the stress most homogeneously along the interface compared to the other models and achieved significant reductions in von-Mises stress values. As a result of the optimization studies conducted, significant improvements were observed in the von-Mises equivalent stress values; the reduction rates were 7.94% for the T-Joint model, 13.08% for the Dovetail Joint model, and 7.96% for the Dairesel Joint model. This study demonstrates that the parametric optimization of interlocking interface geometries at the connection regions of MMAM-manufactured parts plays a critical role in enhancing structural integrity and mechanical performance.