Biyomedikal Endüstrisinde Kullanılan Ti-6Al-7Nb Alaşımının Ultrasonik Titreşim Destekli Nano Grafen Katkılı Nanoakışkan Kullanılan MMY Yöntemi ile Sürdürülebilir Talaşlı İmalatının Araştırılması, Modellenmesi ve Optimizasyonu

TÜBİTAK Projesi, 2023 - 2025

Proje Türü: TÜBİTAK Projesi
Başlama Tarihi: Nisan 2023
Bitiş Tarihi: Ekim 2025

Proje Özeti

Biyomedikal alanındaki güncel gelişmeler, implant malzemelerinde mekanik dayanıklılık, biyouyumluluk, biyoaktivite daha iyi aşınma direnci sağlayan malzemeler üzerine odaklanılması ihtiyacını doğurmuştur. Metal implantlar içerisinde Ti-6Al-7Nb alaşımı diğer metal implant malzemelerine nazaran sahip olduğu daha düşük stotoksisite, yüksek korozyon ve aşınma direnci, yorulma ömrü, yüksek mekanik özellikleri dolayısıyla biyomedikal endüstrilerinde kullanımı yaygınlaşmakta, yakın gelecekte daha geniş uygulama alanları bulacağı düşünülmektedir. Ancak implant malzemelerinin vücut içindeki geniş kullanım alanları beraberinde hassas yüzey ve boyutsal toleransları, aşınma özelliklerinin bütüncül olarak değerlendirilmesini zorunlu kılmaktadır. Arzu edilen yüzey kaliteleri ve boyutsal toleransların sağlanabilmesi amaçlarıyla hâlihazırda birincil ve ikincil işlem talaşlı şekillendirme işlemleri uygulanmaktadır. Yapılan sınırlı sayıda çalışma bu alaşımlara uygulanan talaş kaldırma işlemlerinde görece daha yüksek kesici takım aşınması, kesme kuvvetleri oluşumlarının meydana geldiğini ortaya koymuştur. İlaveten gelecekte kullanım potansiyeli yüksek olan bu alaşımın talaşlı şekillendirilme sürecindeki bilinmezliklerin giderilmesi ihtiyacı bulunmaktadır. Literatürde ve endüstriyel uygulamalarda etkinliği belirli olan kesme sıvısı ve kaplamalı kesici takımların kullanımının bu alaşımın talaşlı şekillendirilmesinde kesme performansına katkısının sınırlı olduğu anlaşılmaktadır. İlaveten bu yöntemlerin insan sağlığı, imalat maliyetleri, enerji sarfiyatı, geri dönüşüm maliyetleri, karbon emisyonu gibi çevreye karşı olumsuz etkileri dolayısıyla gelecekte kullanımı yaygınlaşacak bu malzemenin çevre dostu sürdürülebilir imalatının sağlanabilmesi amacıyla çok boyutlu çalışmalara ihtiyaç bulunmaktadır.

Projenin Özgün Değeri: Biyomedikal Ti-6Al-7Nb alaşımının nanoakışkan kullanılan Minimum Miktarda Yağlama (MMY) yöntemi ile ultrasonik titreşim destekli sürdürülebilir talaşlı şekillendirilmesi ile ilgili literatürde yer almayan geniş kapsamlı bir çalışma gerçekleştirilecektir.

Bu sayede Ti-6Al-7Nb alaşımının;

- Talaşlı şekillendirilme performansının geliştirilmesi,

- Talaşlı şekillendirilmesi sırasında oluşan kesme kuvvetleri ve sıcaklığının işlenmiş parçaların tribolojik özellikleri, faz dönüşümü, mikrosertlik değişimi, aşınma dayanımı gibi ürün performansına etki edecek yüzey ve yüzey altı mikroyapısal değişim ve dönüşümlerinin iyileştirilmesi,

- Talaşlı şekillendirilmesinde karbon emisyonu, enerji sarfiyatı, imalat maliyetleri açısından minimizasyon sağlanarak 11. Kalkınma Planı ve 2050 Avrupa Yeşil Mutabakatı hedefleri çerçevesinde sürdürülebilir imalatının sağlanacağı çok amaçlı optimizasyon algoritmasının geliştirilmesi,

- Nanoakışkan kullanılan MMY yöntemi ile ultrasonik titreşim destekli talaşlı şekillendirilme sürecinin nümerik modellenmesi ve malzeme, zaman gibi ekonomik nedenler dolayısıyla deneysel olarak test edilememiş kesme şartlarında talaşlı şekillendirme simülasyonları yapılarak bu malzemenin sergileyeceği deformasyon karakteristiklerinin belirlenmesi.

Projenin Yöntem ve Yönetimi: Proje süresi 30 ay olarak planlanmıştır. Projede yürütücü ile birlikte bir araştırmacı ve iki bursiyer yer alacaktır. Proje aşamaları şu şekildedir;

-Talaşlı şekillendirme; bitkisel esaslı kesme yağına değişken oranlarda katılacak nano grafen parçacıklar ile hazırlanacak nanoakışkanların kullanılacağı MMY yöntemi ile ultrasonik titreşim destekli talaşlı şekillendirme deneyleri gerçekleştirilecektir. Kesme kuvveti ve sıcaklığı, talaş kalınlığı ve morfolojisi incelenecektir.

- Mikroyapısal değişimlerin incelenmesi; İşlenmiş iş parçalarının yüzey ve yüzey altında meydana gelecek; yüzey pürüzlülüğü ve topografisi, mikroyapıda tane deformasyonu, mikrosertlik değişimi, kalıntı gerilme oluşumu ve faz dönüşümü ile yüzey sürtünme ve aşınma özellikleri incelenecektir.
- Sürdürülebilir imalat analizi ve optimizasyon; Önerilen yöntemler ile toplam enerji, karbon emisyonları ve toplam talaşlı işleme maliyetlerinin optimizasyonu sağlanacaktır. Bu kapsamda kesme için harcanan güç, elektrik sarfiyatı, talaş bertarafı ve geri dönüşümü, MMY yağının oluşturacağı karbon emisyonları hesaplanacaktır. Bağımlı değişkenler (toplam enerji, karbon emisyonları ve toplam talaşlı işleme maliyetleri) ve bağımsız değişkenler (kesme parametreleri, MMY akışkan ağırlıkça oranı) arasındaki korelasyon ortaya konularak sürdürülebilir talaşlı imalat hedeflerinin sağlanacağı çok amaçlı optimizasyon algoritması geliştirilecektir.

- Nümerik modelleme; Sonlu elemanlar yazılımında tanımlı malzeme modelleri kullanılarak bu alaşımın değişken kesme parametre ve koşullarında sergileyeceği deformasyon davranışı, kesme kuvvetleri ve sıcaklığı, talaş kalınlığı ve morfolojisinin belirlenebilmesi sağlanacaktır.

Projenin Yaygın Etkisi: Önerilen proje ile sağlanacak iyileştirmeler biyomedikal endüstrisinde kullanılan implantların güvenilirlik ve performansını arttıracak, deneysel ve modelleme çalışmaları neticesinde imalat yönteminde sağlanacak gelişimler ile Avrupa Yeşil Mutabakatı ve 11. Kalkınma Planında yer verilen sürdürülebilir çevre, sanayi kuruluşlarında sera gazı emisyonlarının azaltılması, sera gazı emisyonuna neden olan sektörlerde iklim değişikliğiyle mücadele, hava kirliliğinin önlenmesi, imalat sanayinin oluşturduğu atık ve emisyonların azaltılması ve enerji verimliliğinin arttırılması hedeflerine katkılar sağlanacaktır.