Katmanlı imalat için tasarım - Design for additive manufacturing

Katmanlı imalat için tasarım (DfAM veya DFAM) dır-dir üretilebilirlik için tasarım uygulandığı gibi Katmanlı üretim (AM). İşlevsel performansın ve / veya üretilebilirlik, güvenilirlik ve maliyet gibi diğer önemli ürün yaşam döngüsü hususlarının, katmanlı imalat teknolojilerinin yeteneklerine tabi olarak optimize edilebildiği genel bir tasarım yöntemleri veya araçları türüdür.[1]

Bu konsept, AM teknolojilerinin sağladığı muazzam tasarım özgürlüğü nedeniyle ortaya çıkıyor. AM süreçlerinin benzersiz yeteneklerinden tam olarak yararlanmak için DfAM yöntemlerine veya araçlarına ihtiyaç vardır. Tipik DfAM yöntemleri veya araçları şunları içerir: topoloji optimizasyonu, çok ölçekli yapılar için tasarım (kafes veya hücresel yapılar), çok malzemeli tasarım, kitle özelleştirme, parça birleştirme ve AM özellikli özelliklerden yararlanabilen diğer tasarım yöntemleri.

DfAM her zaman daha geniş DFM'den ayrı değildir, çünkü birçok nesnenin yapımı hem eklemeli hem de eksiltici adımlar içerebilir. Bununla birlikte, "DfAM" adı değerlidir çünkü dikkati ticarileştirme Üretim rollerinde AM, sadece mevcut parçaların eksiltmeden katkı maddesine nasıl değiştirileceğini bulmaktan ibaret değildir. Daha ziyade, gelişmiş AM'nin yeni bulunan kullanılabilirliği göz önünde bulundurularak tüm nesneleri (montajlar, alt sistemler) yeniden tasarlamakla ilgilidir. Yani, onları yeniden tasarlamayı gerektiriyor çünkü önceki tasarımlarının tamamı - nasıl, neden ve hangi yerlerde ayrık parçalara ayrıldıkları da dahil - gelişmiş AM'nin henüz var olmadığı bir dünyanın kısıtlamaları içinde tasarlandı. Bu nedenle, tam teşekküllü DfAM, mevcut bir parça tasarımını eklemeli olarak yapılmasına izin verecek şekilde değiştirmek yerine, genel nesneyi daha az parçaya veya önemli ölçüde farklı sınırlara ve bağlantılara sahip yeni bir parça setine sahip olacak şekilde yeniden tasarlamak gibi şeyleri içerir. Dolayısıyla nesne artık bir montaj olmayabilir veya çok daha az parçaya sahip bir montaj olabilir. AM'nin ticarileştirilmesini büyük ölçüde genişletmesi nedeniyle, DfAM'ın bu kadar köklü pratik etkisinin pek çok örneği 2010'larda ortaya çıkmıştır. Örneğin, 2017'de GE Havacılık 900 yerine 16 parçalı bir helikopter motoru oluşturmak için DfAM'ı kullandığını ve bunun karmaşıklığını azaltmada büyük potansiyel etkisi olduğunu ortaya çıkardı. tedarik zinciri.[2] "DfAM 'kurumsal düzeyde kesinti' gerektirir" gibi temalara yol açan bu radikal yeniden düşünme yönüdür.[3] Başka bir deyişle, yıkıcı yenilik AM'nin izin verebileceği mantıksal olarak işletme ve tedarik zinciri boyunca genişletilebilir, sadece bir makine atölyesindeki düzeni değiştirmekle kalmaz.

DfAM, hem geniş temaları (birçok AM süreci için geçerlidir) hem de belirli bir AM sürecine özgü optimizasyonları içerir. Örneğin, Stereolitografi için DFM analizi bu modalite için DfAM'ı maksimize eder.

Arka fon

Katmanlı imalat, bir ürünün doğrudan kendi 3B modelinden, genellikle katman üstüne üretilebildiği bir malzeme birleştirme işlemi olarak tanımlanır.[4] CNC işleme veya döküm gibi geleneksel üretim teknolojileriyle karşılaştırıldığında, AM süreçlerinin birkaç benzersiz özelliği vardır. Karmaşık bir şekle sahip parçaların imalatına ve karmaşık malzeme dağılımına olanak sağlar.[5] Bu benzersiz yetenekler, tasarımcılar için tasarım özgürlüğünü önemli ölçüde artırır. Ancak, aynı zamanda büyük bir zorluk da getiriyorlar. Geleneksel İmalat için tasarım (DFM) kuralları veya yönergeleri, tasarımcıların zihninde derinden kök salmıştır ve tasarımcıları, AM süreçlerinin getirdiği bu benzersiz özelliklerin avantajlarından yararlanarak ürün işlevsel performansını daha da iyileştirmeye ciddi şekilde kısıtlamaktadır. Dahası, geleneksel özellik tabanlı CAD aletlerin işlevsel performansın iyileştirilmesi için düzensiz geometriyle uğraşması da zordur. Bu sorunları çözmek için, tasarımcıların AM süreçlerinin sağladığı tasarım özgürlüğünden tam olarak yararlanmalarına yardımcı olacak tasarım yöntemlerine veya araçlarına ihtiyaç vardır. Bu tasarım yöntemleri veya araçları, Katmanlı İmalat için Tasarım olarak kategorize edilebilir.

Yöntemler

Topoloji optimizasyonu

Topoloji optimizasyonu belirli bir tasarım alanındaki malzeme düzenini optimize edebilen bir tür yapısal optimizasyon tekniğidir. Topoloji optimizasyonu, boyut optimizasyonu veya şekil optimizasyonu gibi diğer tipik yapısal optimizasyon teknikleriyle karşılaştırıldığında, bir parçanın hem şeklini hem de topolojisini güncelleyebilir. Bununla birlikte, topoloji optimizasyonundan elde edilen karmaşık optimize edilmiş şekillerin, CNC işleme gibi geleneksel üretim süreçlerinde kullanılması her zaman zordur. Bu sorunu çözmek için, topoloji optimizasyon sonucunu imal etmek için eklemeli üretim süreçleri uygulanabilir. Ancak, minimum özellik boyutu gibi bazı üretim kısıtlamalarının da topoloji optimizasyonu sürecinde dikkate alınması gerektiği unutulmamalıdır.[6] Topoloji optimizasyonu tasarımcıların eklemeli imalat için optimal bir karmaşık geometri elde etmelerine yardımcı olabileceğinden, bu teknik DfAM yöntemlerinden biri olarak düşünülebilir.

Çok ölçekli yapı tasarımı

AM süreçlerinin benzersiz yetenekleri nedeniyle, çok ölçekli karmaşıklıklara sahip parçalar gerçekleştirilebilir. Bu, tasarımcılara hücresel yapıları veya kafes yapılarını tercih edilen özellikler için mikro veya mezo ölçeklerde kullanmaları için büyük bir tasarım özgürlüğü sağlar. Örneğin, havacılık alanında, AM işlemi ile üretilen kafes yapılar ağırlık azaltmak için kullanılabilir.[7] Biyo-tıbbi alanda, kafes veya hücresel yapılardan yapılmış biyo-implant, osseointegrasyon.[8]

Çok malzemeli tasarım

Çok malzemeli veya karmaşık malzeme dağılımına sahip parçalar, eklemeli üretim süreçleriyle elde edilebilir. Tasarımcıların bu avantajı kullanmalarına yardımcı olmak için çeşitli tasarım ve simülasyon yöntemleri [9][10][11] birden fazla malzeme içeren bir parçanın tasarımını desteklemek için önerilmiştir veya İşlevsel Dereceli Malzemeler . Bu tasarım yöntemleri aynı zamanda geleneksel CAD sistemine bir meydan okuma getiriyor. Çoğu artık sadece homojen malzemelerle uğraşabiliyor.

Kitlesel özelleştirme için tasarım

Katmanlı imalat, parçaları doğrudan ürünlerin dijital modelinden üretebildiğinden, özelleştirilmiş ürünlerin üretim maliyetini ve öncü süreyi önemli ölçüde azaltır. Bu nedenle, özelleştirilmiş parçaların hızlı bir şekilde nasıl üretileceği, toplu özelleştirme için merkezi bir sorun haline gelir. Birkaç tasarım yöntemi [12] tasarımcıların veya kullanıcıların özelleştirilmiş ürünü kolay bir şekilde elde etmelerine yardımcı olmak için önerilmiştir. Bu yöntemler veya araçlar, DfAM yöntemleri olarak da düşünülebilir.

Parça konsolidasyonu

Geleneksel üretim yöntemlerinin kısıtlamaları nedeniyle, bazı karmaşık bileşenler genellikle imalat ve montaj kolaylığı için birkaç parçaya ayrılır. Katmanlı imalat teknolojilerinin kullanılmasıyla bu durum değişmiştir. Orijinal tasarımdaki bazı parçaların tek bir karmaşık parçada birleştirilebileceğini ve eklemeli üretim süreçleriyle imal edilebileceğini gösteren bazı vaka çalışmaları yapılmıştır. Bu yeniden tasarım süreci, parça konsolidasyonu olarak adlandırılabilir. Araştırma, parça konsolidasyonunun yalnızca parça sayısını azaltmakla kalmayıp aynı zamanda ürünün işlevsel performansını da iyileştirebileceğini gösteriyor.[13] Tasarımcılara parça konsolidasyonu yapmaları için rehberlik edebilecek tasarım yöntemleri, bir tür DfAM yöntemi olarak da kabul edilebilir.

Kafes yapıları

Kafes yapıları bir tür hücresel yapıdır (yani açık). Bu yapıların üretimi daha önce zordu ve bu nedenle yaygın olarak kullanılmıyordu. Katmanlı üretim teknolojisinin serbest form üretim kabiliyeti sayesinde, karmaşık formlar tasarlamak ve üretmek artık mümkün. Kafes yapıları yüksek mukavemete ve düşük kütleli mekanik özelliklere ve çok işlevliliğe sahiptir.[14] Bu yapılar, havacılık ve biyomedikal endüstrilerindeki parçalarda bulunabilir.[15][16] Bu kafes yapılarının atomik kristal kafesi taklit ettiği, düğümlerin ve dikmelerin sırasıyla atomları ve atomik bağları temsil ettiği ve meta-kristaller olarak adlandırıldığı gözlemlenmiştir. Deformasyona uğradıklarında metalürjik sertleştirme ilkelerine (tane sınırı güçlendirme, çökelti sertleştirme vb.) Uyarlar.[17] Ayrıca, Katmanlı İmalatta denge dışı katılaşma olgusundan yararlanılarak payandaların (meta-atomik bağlar) akma dayanımı ve sünekliğinin büyük ölçüde artırılabileceği ve böylece dökme yapıların performansının artırılabileceği bildirilmiştir.[18]

Referanslar

  1. ^ Tang, Yunlong (2016). "Fonksiyonel performansı iyileştirmek için katmanlı üretim için tasarım yöntemlerinin incelenmesi". Hızlı Prototipleme Dergisi. 22 (3): 569–590. doi:10.1108 / RPJ-01-2015-0011.
  2. ^ Zelinski, Peter (2017-03-31), "GE ekibi, 900 parçayı 16 ile değiştirerek bir helikopter motorunu gizlice bastırdı", Modern Makine Atölyesi, alındı 2017-04-09.
  3. ^ Hendrixson, Stephanie (2017/04/24), "Katmanlı üretim için tasarım nasıl düşünülür?", Modern Makine Atölyesi, alındı 2017-05-05.
  4. ^ "ASTM F2792 - 12a Katmanlı İmalat Teknolojileri için Standart Terminoloji, (Geri çekildi 2015)". www.astm.org. Alındı 2016-09-03.
  5. ^ Gibson, Dr Ian; Rosen, Dr David W .; Stucker, Dr Brent (2010/01/01). Katmanlı Üretim Teknolojileri. Springer ABD. s. 299–332. doi:10.1007/978-1-4419-1120-9_11. ISBN  9781441911193.
  6. ^ Leary, Martin; Merli, Luigi; Torti, Federico; Mazur, Maciej; Brandt, Milano (2014-11-01). "Katmanlı üretim için optimum topoloji: Desteksiz optimum yapıların eklemeli üretimini sağlamak için bir yöntem". Malzemeler ve Tasarım. 63: 678–690. doi:10.1016 / j.matdes.2014.06.015.
  7. ^ Tang, Yunlong; Kurtz, Aidan; Zhao, Yaoyao Fiona (2015-12-01). "Katmanlı imalat ile imal edilecek kafes yapısı için Çift Yönlü Evrimsel Yapısal Optimizasyon (BESO) tabanlı tasarım yöntemi". Bilgisayar destekli tasarım. 69: 91–101. doi:10.1016 / j.cad.2015.06.001.
  8. ^ Schmidt, M .; Zaeh, M .; Graf, T .; Ostendorf, A .; Emmelmann, C .; Scheinemann, P .; Munsch, M .; Seyda, V. (2011/01/01). "İmalatta Lazerler 2011 - Osseointegratif Özelliklere Sahip Modifiye İmplant Yüzeylerinin İmalatında Lazer Katmanlı Üretimi için Altıncı Uluslararası WLT Konferansı Bildirileri". Fizik Prosedürü. 12: 375–384. doi:10.1016 / j.phpro.2011.03.048.
  9. ^ Zhang, Feng; Zhou, Chi; Das, Sonjoy (2015-08-02). Cilt 1A: 35. Bilgisayarlar ve Mühendislikte Bilgi Konferansı. s. V01AT02A031. doi:10.1115 / DETC2015-47772. ISBN  978-0-7918-5704-5.
  10. ^ Zhou, Shiwei; Wang, Michael Yu (2006-07-18). "Genelleştirilmiş bir Cahn-Hilliard çok fazlı geçiş modeli ile çok malzemeli yapısal topoloji optimizasyonu". Yapısal ve Multidisipliner Optimizasyon. 33 (2): 89. doi:10.1007 / s00158-006-0035-9. ISSN  1615-147X.
  11. ^ Stanković, Tino; Mueller, Jochen; Egan, Paul; Shea Kristina (2015/08/02). "Katmanlı Üretilen Çok Malzemeli Kafes Yapıların Genelleştirilmiş Optimallik Kriterleri Kullanılarak Optimizasyonu". Alıntı dergisi gerektirir | günlük = (Yardım)
  12. ^ Reeves, Phil; Tuck, Chris; Lahey, Richard (2011-01-01). Fogliatto, Flavio S .; Silveira, Giovani J.C. da (editörler). Kitle özelleştirme. İleri İmalatta Springer Serisi. Springer London. s. 275–289. doi:10.1007/978-1-84996-489-0_13. ISBN  9781849964883.
  13. ^ Yang, Sheng; Tang, Yunlong; Zhao, Yaoyao Fiona (2015-10-01). "Katmanlı imalatın tasarım özgürlüğünü benimseyen yeni bir parça birleştirme yöntemi". Üretim Süreçleri Dergisi. Katmanlı üretim. 20, Bölüm 3: 444–449. doi:10.1016 / j.jmapro.2015.06.024.
  14. ^ Azman, Abdul Hadi; Vignat, Frédéric; Villeneuve, François (2018/04/29). "Katmanlı İmalat İçin Kafes Yapılarının Tasarımında Cad Araçları ve Dosya Biçimi Performans Değerlendirmesi". Jurnal Teknologi. 80 (4). doi:10.11113 / jt.v80.12058. ISSN  2180-3722.
  15. ^ Gao, Wei; Zhang, Yunbo; Ramanujan, Devarajan; Ramani, Karthik; Chen, Yong; Williams, Christopher B .; Wang, Charlie C.L .; Shin, Yung C .; Zhang, Song (Aralık 2015). "Mühendislikte katmanlı imalatın durumu, zorlukları ve geleceği". Bilgisayar destekli tasarım. 69: 65–89. doi:10.1016 / j.cad.2015.04.001. ISSN  0010-4485.
  16. ^ Rashed, M. G .; Ashraf, Mahmud; Mines, R.A. W .; Hazell, Paul J. (2016-04-05). "Metalik mikrolatis malzemeleri: İmalat, mekanik özellikler ve uygulamalar konusunda güncel bir teknoloji durumu". Malzemeler ve Tasarım. 95: 518–533. doi:10.1016 / j.matdes.2016.01.146. ISSN  0264-1275.
  17. ^ Pham, Minh-Oğlu; Liu, Chen; Todd, Iain; Lertthanasarn, Jedsada (2019). "Kristal mikro yapıdan ilham alan, hasara dayanıklı mimari malzemeler" (PDF). Doğa. 565 (7739): 305–311. Bibcode:2019Natur.565..305P. doi:10.1038 / s41586-018-0850-3. ISSN  1476-4687. PMID  30651615.
  18. ^ Rashed, M. G .; Bhattacharyya, Dhriti; Mines, R.A. W .; Saadatfar, M .; Xu, Alan; Ashraf, Mahmud; Smith, M .; Hazell, Paul J. (2019-10-23). "Mimarili malzemelerin meta-kristal kafesinde bağlanma gücünü arttırmak". arXiv:1910.10658 [cond-mat.mtrl-sci ].