Дизайн для аддитивного производства - Design for additive manufacturing

Дизайн для аддитивного производства (DfAM или же DFAM) является дизайн на технологичность применительно к производство добавок (ЯВЛЯЮСЬ). Это общий тип методов или инструментов проектирования, с помощью которых можно оптимизировать функциональные характеристики и / или другие ключевые аспекты жизненного цикла продукта, такие как технологичность, надежность и стоимость, в зависимости от возможностей технологий аддитивного производства.[1]

Эта концепция возникает из-за огромной свободы дизайна, предоставляемой технологиями AM. Чтобы воспользоваться всеми преимуществами уникальных возможностей процессов AM, необходимы методы или инструменты DfAM. Типичные методы или инструменты DfAM включают: оптимизация топологии, проектирование многомасштабных конструкций (решетчатых или ячеистых), многоматериальное проектирование, массовая персонализация, консолидация деталей и другие методы проектирования, которые могут использовать функции AM.

DfAM не всегда отделен от более широкого DFM, так как создание многих объектов может включать как аддитивные, так и вычитающие этапы. Тем не менее, название "DfAM" имеет ценность, поскольку привлекает внимание к тому, как коммерциализация AM в производственных ролях - это не просто вопрос того, как переключить существующие детали с вычитания на добавление. Скорее, речь идет о перепроектировании целых объектов (сборок, подсистем) с учетом недавно обретенной доступности расширенных AM. То есть, это включает в себя их переработку, потому что весь их предыдущий дизайн - включая даже то, как, почему и в каких местах они изначально были разделены на отдельные части - был задуман в рамках ограничений мира, где усовершенствованный AM еще не существовал. Таким образом, вместо простого изменения существующей конструкции детали, позволяющей создавать ее аддитивно, полноценная DfAM включает в себя такие вещи, как переосмысление всего объекта таким образом, чтобы в нем было меньше деталей, или новый набор деталей с существенно другими границами и соединениями. Таким образом, объект может больше не быть сборкой или это может быть сборка с гораздо меньшим количеством деталей. Многие примеры такого глубокого практического влияния DfAM появились в 2010-х годах, когда AM значительно расширила свою коммерциализацию. Например, в 2017 году GE Aviation показал, что он использовал DfAM для создания вертолетного двигателя с 16 частями вместо 900, с большим потенциалом влияния на снижение сложности каналы поставок.[2] Именно этот радикальный аспект переосмысления привел к таким темам, как «DfAM требует« сбоев на уровне предприятия »».[3] Другими словами, подрывные инновации то, что может позволить AM, может логически распространяться на все предприятие и его цепочку поставок, а не только изменять компоновку в цехе.

DfAM включает в себя как общие темы (которые применяются ко многим процессам AM), так и оптимизацию, специфичную для конкретного процесса AM. Например, DFM анализ для стереолитографии максимизирует DfAM для этой модальности.

Фон

Аддитивное производство определяется как процесс соединения материалов, при котором продукт может быть изготовлен непосредственно из его 3D-модели, обычно слой за слоем.[4] По сравнению с традиционными производственными технологиями, такими как обработка с ЧПУ или литье, процессы AM имеют несколько уникальных возможностей. Это позволяет изготавливать детали сложной формы, а также распределять сложный материал.[5] Эти уникальные возможности значительно расширяют свободу дизайна для дизайнеров. Однако они также несут большую проблему. Традиционный Дизайн для производства (DFM) правила или рекомендации глубоко укоренились в сознании дизайнеров и строго ограничивают возможности дизайнеров в дальнейшем улучшении функциональных характеристик продукта за счет использования преимуществ этих уникальных возможностей, предоставляемых процессами AM. Более того, традиционные функциональные CAD Инструменты также трудно справиться с неправильной геометрией для улучшения функциональных характеристик. Чтобы решить эти проблемы, необходимы методы или инструменты проектирования, которые помогут дизайнерам в полной мере использовать преимущества свободы проектирования, предоставляемые процессами AM. Эти методы или инструменты проектирования можно отнести к категории «Дизайн для аддитивного производства».

Методы

Оптимизация топологии

Оптимизация топологии - это метод структурной оптимизации, позволяющий оптимизировать размещение материалов в заданном пространстве дизайна. По сравнению с другими типичными методами оптимизации конструкции, такими как оптимизация размеров или оптимизация формы, оптимизация топологии может обновлять как форму, так и топологию детали. Однако сложные оптимизированные формы, полученные в результате оптимизации топологии, всегда трудно обрабатывать для традиционных производственных процессов, таких как обработка с ЧПУ. Чтобы решить эту проблему, можно применить процессы аддитивного производства, чтобы получить результат оптимизации топологии. Однако следует отметить, что некоторые производственные ограничения, такие как минимальный размер элемента, также необходимо учитывать в процессе оптимизации топологии.[6] Поскольку оптимизация топологии может помочь разработчикам получить оптимальную сложную геометрию для аддитивного производства, этот метод можно рассматривать как один из методов DfAM.

Конструкция многомасштабной структуры

Благодаря уникальным возможностям процессов AM, могут быть реализованы детали с многомасштабной сложностью. Это дает конструкторам большую свободу при проектировании для использования ячеистых структур или решетчатых структур на микро- или мезомасштабах для получения предпочтительных свойств. Например, в аэрокосмической области решетчатые конструкции, изготовленные методом AM, могут использоваться для снижения веса.[7] В биомедицине биоимплант, сделанный из решетчатых или ячеистых структур, может улучшить остеоинтеграция.[8]

Мультиматериальный дизайн

Детали с несколькими материалами или сложным распределением материалов могут быть получены с помощью процессов аддитивного производства. Чтобы помочь дизайнерам воспользоваться этим преимуществом, несколько методов проектирования и моделирования [9][10][11] было предложено для поддержки проектирования детали с использованием нескольких материалов или Функционально согласованные материалы . Эти методы проектирования также бросают вызов традиционной системе CAD. Большинство из них сейчас могут иметь дело только с однородными материалами.

Дизайн для массовой настройки

Поскольку аддитивное производство может напрямую изготавливать детали по цифровой модели продукта, оно значительно снижает стоимость и время изготовления индивидуальных продуктов. Таким образом, как быстро создавать индивидуальные детали становится центральной проблемой для массовой настройки. Несколько методов проектирования [12] были предложены, чтобы помочь дизайнерам или пользователям легко получить индивидуальный продукт. Эти методы или инструменты также можно рассматривать как методы DfAM.

Консолидация деталей

Из-за ограничений традиционных методов производства некоторые сложные компоненты обычно разделяются на несколько частей для упрощения изготовления, а также сборки. Эту ситуацию изменило использование аддитивных технологий производства. Было проведено несколько тематических исследований, чтобы показать, что некоторые части первоначальной конструкции можно объединить в одну сложную деталь и изготовить с помощью процессов аддитивного производства. Этот процесс модернизации можно назвать объединением деталей. Исследование показывает, что объединение деталей не только сокращает количество деталей, но и может улучшить функциональные характеристики продукта.[13] Методы проектирования, которые могут помочь проектировщикам выполнить консолидацию деталей, также можно рассматривать как тип методов DfAM.

Решетчатые конструкции

Решетчатые конструкции - это разновидность ячеистых структур (т.е. открытых). Эти конструкции раньше было трудно изготовить, поэтому они не получили широкого распространения. Благодаря возможности изготовления произвольной формы с помощью технологии аддитивного производства теперь возможно проектировать и производить сложные формы. Решетчатые конструкции обладают высокой прочностью, низкими массовыми механическими свойствами и многофункциональностью.[14] Эти конструкции можно найти в деталях в аэрокосмической и биомедицинской промышленности.[15][16] Было замечено, что эти решетчатые структуры имитируют атомную кристаллическую решетку, где узлы и стойки представляют атомы и атомные связи, соответственно, и называются метакристаллами. Они подчиняются металлургическим принципам упрочнения (упрочнение границ зерен, дисперсионное упрочнение и т. Д.) При деформации.[17] Кроме того, сообщалось, что предел текучести и пластичность стоек (метаатомные связи) могут быть резко увеличены за счет использования явления неравновесного затвердевания в аддитивном производстве, таким образом повышая характеристики объемных структур.[18]

Рекомендации

  1. ^ Тан, Юньлун (2016). «Обзор методов проектирования для аддитивного производства для улучшения функциональных характеристик». Журнал быстрого прототипирования. 22 (3): 569–590. Дои:10.1108 / RPJ-01-2015-0011.
  2. ^ Зелинский, Питер (2017-03-31), «Команда GE тайно напечатала вертолетный двигатель, заменив 900 деталей на 16», Современный механический цех, получено 2017-04-09.
  3. ^ Хендриксон, Стефани (2017-04-24), «Как думать о дизайне для аддитивного производства», Современный механический цех, получено 2017-05-05.
  4. ^ «ASTM F2792 - Стандартная терминология 12a для технологий аддитивного производства, (отозвана в 2015 г.)». www.astm.org. Получено 2016-09-03.
  5. ^ Гибсон, доктор Ян; Розен, доктор Дэвид В .; Стакер, доктор Брент (01.01.2010). Технологии аддитивного производства. Springer США. С. 299–332. Дои:10.1007/978-1-4419-1120-9_11. ISBN  9781441911193.
  6. ^ Лири, Мартин; Мерли, Луиджи; Торти, Федерико; Мазур, Мацей; Брандт, Милан (1 ноября 2014 г.). «Оптимальная топология для аддитивного производства: метод обеспечения аддитивного производства оптимальных безопорных структур». Материалы и дизайн. 63: 678–690. Дои:10.1016 / j.matdes.2014.06.015.
  7. ^ Тан, Юньлун; Курц, Эйдан; Чжао, Яояо Фиона (01.12.2015). «Метод проектирования на основе двунаправленной эволюционной оптимизации структуры (BESO) для решетчатой ​​структуры, которая будет изготовлена ​​с помощью аддитивного производства». Системы автоматизированного проектирования. 69: 91–101. Дои:10.1016 / j.cad.2015.06.001.
  8. ^ Schmidt, M .; Zaeh, M .; Граф, Т .; Остендорф, А .; Emmelmann, C .; Scheinemann, P .; Munsch, M .; Сейда, В. (01.01.2011). «Лазеры в производстве 2011 - Труды Шестой международной конференции WLT по лазерам в производстве» Лазерное аддитивное производство модифицированных поверхностей имплантатов с остеоинтеграционными характеристиками ». Физические процедуры. 12: 375–384. Дои:10.1016 / j.phpro.2011.03.048.
  9. ^ Чжан, Фэн; Чжоу, Чи; Дас, Сонджой (2015-08-02). Том 1A: 35-я конференция "Компьютеры и информация в машиностроении". стр. V01AT02A031. Дои:10.1115 / DETC2015-47772. ISBN  978-0-7918-5704-5.
  10. ^ Чжоу, Шивэй; Ван, Майкл Ю (18.07.2006). «Оптимизация многоматериальной структурной топологии с помощью обобщенной модели многофазного перехода Кана – Хилларда». Структурная и междисциплинарная оптимизация. 33 (2): 89. Дои:10.1007 / s00158-006-0035-9. ISSN  1615–147X.
  11. ^ Станкович, Тино; Мюллер, Йохен; Иган, Пол; Ши, Кристина (2015-08-02). «Оптимизация аддитивных решетчатых структур из нескольких материалов с использованием обобщенных критериев оптимальности». Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  12. ^ Ривз, Фил; Так, Крис; Гаага, Ричард (01.01.2011). Fogliatto, Flavio S .; Силвейра, Джовани Дж. К. да (ред.). Массовая персонализация. Серия Springer в передовом производстве. Springer London. С. 275–289. Дои:10.1007/978-1-84996-489-0_13. ISBN  9781849964883.
  13. ^ Ян, Шэн; Тан, Юньлун; Чжао, Яояо Фиона (01.10.2015). «Новый метод консолидации деталей, обеспечивающий свободу проектирования в аддитивном производстве». Журнал производственных процессов. Производство добавок. 20, часть 3: 444–449. Дои:10.1016 / j.jmapro.2015.06.024.
  14. ^ Асман, Абдул Хади; Винья, Фредерик; Вильнев, Франсуа (29.04.2018). «Оценка производительности инструментов Cad и форматов файлов при проектировании решетчатых конструкций для аддитивного производства». Jurnal Teknologi. 80 (4). Дои:10.11113 / jt.v80.12058. ISSN  2180-3722.
  15. ^ Гао, Вэй; Чжан, Юньбо; Рамануджан, Девараджан; Рамани, Картик; Чен, Юн; Уильямс, Кристофер Б .; Ван, Чарли С.Л .; Shin, Yung C .; Чжан, Сун (декабрь 2015 г.). «Состояние, проблемы и будущее аддитивного производства в машиностроении». Системы автоматизированного проектирования. 69: 65–89. Дои:10.1016 / j.cad.2015.04.001. ISSN  0010-4485.
  16. ^ Rashed, M. G .; Ашраф, Махмуд; Mines, R.A.W ​​.; Хейзелл, Пол Дж. (2016-04-05). «Металлические материалы с микрорешетками: современное состояние производства, механических свойств и областей применения». Материалы и дизайн. 95: 518–533. Дои:10.1016 / j.matdes.2016.01.146. ISSN  0264-1275.
  17. ^ Фам, Минь-Сон; Лю, Чен; Тодд, Иэн; Лерттанасарн, Джедсада (2019). «Устойчивые к повреждениям архитектурные материалы, вдохновленные кристаллической микроструктурой» (PDF). Природа. 565 (7739): 305–311. Bibcode:2019Натура.565..305П. Дои:10.1038 / s41586-018-0850-3. ISSN  1476-4687. PMID  30651615.
  18. ^ Rashed, M. G .; Бхаттачарья, Дхрити; Mines, R.A.W ​​.; Saadatfar, M .; Сюй, Алан; Ашраф, Махмуд; Smith, M .; Хейзелл, Пол Дж. (23.10.2019). «Повышение прочности связи в метакристаллической решетке архитектурных материалов». arXiv:1910.10658 [cond-mat.mtrl-sci ].