Jump to content

Проектирование для аддитивного производства

Проектирование для аддитивного производства ( DfAM или DFAM ) — это проектирование с учетом технологичности применительно к аддитивному производству (АП). Это общий тип методов или инструментов проектирования, с помощью которых функциональные характеристики и/или другие ключевые аспекты жизненного цикла продукта, такие как технологичность, надежность и стоимость, могут быть оптимизированы с учетом возможностей технологий аддитивного производства. [1]

Эта концепция возникла благодаря огромной свободе проектирования, предоставляемой технологиями AM. Чтобы в полной мере воспользоваться уникальными возможностями процессов AM, необходимы методы или инструменты DfAM. Типичные методы или инструменты DfAM включают оптимизацию топологии , проектирование многомасштабных структур (решетчатых или ячеистых структур), проектирование из нескольких материалов, массовую настройку , консолидацию деталей и другие методы проектирования, которые могут использовать функции AM.

DfAM не всегда отделен от более широкого DFM, поскольку создание многих объектов может включать как аддитивные, так и субтрактивные этапы. Тем не менее, название «DfAM» имеет ценность, поскольку оно фокусирует внимание на том, что коммерциализация АМ в производственных целях — это не просто вопрос выяснения того, как переключить существующие детали с субтрактивного на аддитивный режим. Скорее, речь идет о перепроектировании целых объектов (узлов, подсистем) с учетом вновь обретенной доступности продвинутых АМ. То есть это предполагает их перепроектирование, поскольку вся их предыдущая конструкция — включая даже то, как, почему и в каких местах они изначально были разделены на отдельные части — была задумана в рамках ограничений мира, где продвинутый АМ еще не существовал. Таким образом, вместо того, чтобы просто модифицировать существующую конструкцию детали, чтобы ее можно было создавать аддитивно, полноценный DfAM включает в себя такие вещи, как переосмысление всего объекта так, чтобы он имел меньше частей или новый набор частей с существенно другими границами и соединениями. Таким образом, объект может вообще больше не быть сборкой, либо это может быть сборка, состоящая из гораздо меньшего количества частей. Многие примеры такого глубоко укоренившегося практического воздействия DfAM появились в 2010-х годах, когда AM значительно расширил свою коммерциализацию. Например, в 2017 году GE Aviation сообщила, что она использовала DfAM для создания вертолетного двигателя, состоящего из 16 деталей вместо 900, что потенциально может способствовать снижению сложности цепочек поставок . [2] Именно этот аспект радикального переосмысления привел к появлению таких тем, как «DfAM требует «прорыва на уровне предприятия»». [3] Другими словами, прорывные инновации , которые может обеспечить AM, могут логически распространиться на все предприятие и его цепочку поставок, а не просто изменить планировку механического цеха.

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

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 на станках с ЧПУ или литье, процессы AM обладают рядом уникальных возможностей. Это позволяет изготавливать детали сложной формы, а также сложное распределение материала. [5] Эти уникальные возможности значительно расширяют свободу проектирования для дизайнеров. Однако они также создают большие проблемы. Правила или рекомендации традиционного проектирования для производства (DFM) глубоко укоренились в сознании проектировщиков и строго ограничивают дизайнеров в дальнейшем улучшении функциональных характеристик продукта за счет использования преимуществ этих уникальных возможностей, предоставляемых процессами AM. , основанным на элементах, Более того, традиционным инструментам САПР также трудно справиться с неправильной геометрией для улучшения функциональных характеристик. Для решения этих проблем необходимы методы или инструменты проектирования, которые помогут дизайнерам в полной мере воспользоваться преимуществами свободы проектирования, предоставляемой процессами AM. Эти методы или инструменты проектирования можно отнести к категории «Проектирование для аддитивного производства».

Оптимизация топологии

[ редактировать ]

Оптимизация топологии — это метод структурной оптимизации, который позволяет оптимизировать расположение материалов в заданном пространстве проекта. По сравнению с другими типичными методами оптимизации конструкции, такими как оптимизация размера или формы, оптимизация топологии может обновлять как форму, так и топологию детали. Однако сложные оптимизированные формы, полученные в результате оптимизации топологии, всегда трудно обрабатывать в традиционных производственных процессах, таких как обработка на станках с ЧПУ. Чтобы решить эту проблему, можно применить процессы аддитивного производства для получения результатов оптимизации топологии. [6] Однако следует отметить, что в процессе оптимизации топологии также необходимо учитывать некоторые производственные ограничения, такие как минимальный размер элемента. [7] Поскольку оптимизация топологии может помочь дизайнерам получить оптимальную сложную геометрию для аддитивного производства, этот метод можно считать одним из методов DfAM.

Проектирование многомасштабной конструкции

[ редактировать ]

Благодаря уникальным возможностям процессов AM можно создавать детали различной сложности. Это предоставляет дизайнерам большую свободу проектирования, позволяющую использовать ячеистые или решетчатые структуры на микро- или мезо-масштабах для достижения предпочтительных свойств. Например, в аэрокосмической области решетчатые конструкции, изготовленные методом AM, могут использоваться для снижения веса. [8] В биомедицинской области биоимплантаты, изготовленные из решетчатых или клеточных структур, могут улучшить остеоинтеграцию . [9]

Многоматериальный дизайн

[ редактировать ]

Детали, состоящие из нескольких материалов или со сложным распределением материалов, могут быть изготовлены с помощью процессов аддитивного производства. Чтобы помочь дизайнерам воспользоваться этой возможностью, предлагается несколько методов проектирования и моделирования. [10] [11] [12] были предложены для поддержки проектирования детали с использованием нескольких материалов или функционально классифицированных материалов . Эти методы проектирования также бросают вызов традиционной системе САПР. Большинство из них сейчас могут иметь дело только с однородными материалами.

Дизайн для массовой настройки

[ редактировать ]

Поскольку аддитивное производство позволяет изготавливать детали напрямую из цифровой модели продукта, оно значительно снижает стоимость и время производства продукции по индивидуальному заказу. Таким образом, вопрос о том, как быстро создавать детали по индивидуальному заказу, становится центральным вопросом массовой кастомизации. Несколько методов проектирования [13] были предложены, чтобы помочь дизайнерам или пользователям легко получить индивидуальный продукт. Эти методы или инструменты также можно рассматривать как методы DfAM.

Консолидация деталей

[ редактировать ]

Из-за ограничений традиционных методов производства некоторые сложные компоненты обычно разделяются на несколько частей для упрощения производства и сборки. Эту ситуацию изменило использование технологий аддитивного производства. Были проведены некоторые тематические исследования, чтобы показать, что некоторые детали исходной конструкции можно объединить в одну сложную деталь и изготовить с помощью процессов аддитивного производства. Этот процесс редизайна можно назвать консолидацией частей. Исследования показывают, что объединение деталей не только уменьшит их количество, но и может улучшить функциональные характеристики продукта. [14] Методы проектирования, которые могут помочь дизайнерам выполнить объединение деталей, также можно рассматривать как разновидность методов DfAM.

Решетчатые конструкции

[ редактировать ]

Решетчатые структуры – это разновидность ячеистых структур (т.е. открытые). Раньше эти конструкции было сложно изготовить, поэтому они не получили широкого распространения. Благодаря возможностям аддитивного производства в свободной форме теперь можно проектировать и производить изделия сложной формы. Решетчатые конструкции обладают высокими прочностными и маломассивными механическими свойствами и многофункциональностью. [15] Эти структуры можно найти в аэрокосмической и биомедицинской промышленности. [16] [17] Было замечено, что эти решетчатые структуры имитируют атомную кристаллическую решетку, где узлы и стойки представляют собой атомы и атомные связи соответственно и называются метакристаллами. При деформации они подчиняются принципам металлургического упрочнения (упрочнение границ зерен, дисперсионное упрочнение и т. д.). [18] Кроме того, сообщалось, что предел текучести и пластичность стоек (метаатомных связей) можно значительно повысить, воспользовавшись явлением неравновесной затвердевания в аддитивном производстве, тем самым повысив производительность объемных конструкций. [19]

Тепловые проблемы в дизайне

[ редактировать ]

В процессах АМ, в которых для плавления порошка или сырья используется тепло, стабильность процесса и качество детали сильно зависят от изменения температуры внутри детали во время производства, особенно для металлических АД. [20] [21] Термическое моделирование можно использовать для проектирования деталей и выбора технологических параметров для производства вместо дорогостоящих эмпирических испытаний. [22] [23] [24]

Оптимальная конструкция для аддитивного производства

[ редактировать ]

Металлические конструкции, изготовленные аддитивным способом, имеющие одинаковую (макроскопическую) форму и размер, но изготовленные с использованием разных технологических параметров, имеют совершенно разные микроструктуры и, следовательно, механические свойства. [25] Обширные и очень гибкие параметры процесса АМ существенно влияют на микроструктуры АМ. [25] Поэтому, в принципе, можно одновременно печатать в 3D (макро)структуру, а также желаемую микроструктуру в зависимости от ожидаемой производительности специализированного компонента AM при известной сервисной нагрузке. В этом контексте многомасштабная и мультифизическая интегрированная вычислительная инженерия материалов (ICME) для вычислительной связи цепочки процесс-(микро)структура-свойства-характеристики (PSPP) может использоваться для эффективного поиска подпространства проектирования AM для оптимальной точки. относительно производительности структуры AM при известной сервисной нагрузке. [26] Всеобъемлющее пространство проектирования металлического АМ безгранично и многомерно и включает в себя все возможные комбинации составов сплавов, параметров процесса и геометрии конструкции. Однако всегда рассматривается ограниченное подмножество пространства проектирования (подпространство проектирования). Эксплуатационные характеристики, как цель проектирования, в зависимости от термо-, химико-механической рабочей нагрузки, могут включать в себя множество функциональных аспектов, таких как удельная способность поглощения энергии, усталостная долговечность/прочность, высокотемпературная прочность, сопротивление ползучести, устойчивость к эрозии/износу и/ или коррозионная стойкость. Предполагается, что оптимальный подход к проектированию необходим для раскрытия всего потенциала металлических технологий AM и, следовательно, их широкого внедрения для производства конструктивно важных несущих компонентов. [26]

  1. ^ Тан, Юньлун (2016). «Обзор методов проектирования аддитивного производства для улучшения функциональных характеристик». Журнал быстрого прототипирования . 22 (3): 569–590. дои : 10.1108/RPJ-01-2015-0011 .
  2. ^ Зелински, Питер (31 марта 2017 г.), «Команда GE тайно напечатала вертолетный двигатель, заменив 900 деталей на 16» , Modern Machine Shop , получено 9 апреля 2017 г.
  3. ^ Хендриксон, Стефани (24 апреля 2017 г.), «Как думать о дизайне для аддитивного производства» , Modern Machine Shop , получено 5 мая 2017 г.
  4. ^ «ASTM F2792-12a Стандартная терминология для технологий аддитивного производства (отозвано в 2015 г.)» . www.astm.org . Проверено 03 сентября 2016 г.
  5. ^ Гибсон, доктор Ян; Розен, доктор Дэвид В.; Стакер, доктор Брент (1 января 2010 г.). Аддитивные технологии производства . Спрингер США. стр. 299–332. дои : 10.1007/978-1-4419-1120-9_11 . ISBN  9781441911193 . S2CID   106433250 .
  6. ^ Барбьери, Лорис; Муззуппа, Маурицио (2022). «Подходы к инженерному проектированию, ориентированные на производительность, на основе инструментов генеративного проектирования и топологии: сравнительное исследование» . Прикладные науки . 12 (4): 2106. doi : 10.3390/app12042106 .
  7. ^ Лири, Мартин; Мерли, Луиджи; Торти, Федерико; Мазур, Мацей; Брандт, Милан (01 ноября 2014 г.). «Оптимальная топология для аддитивного производства: метод обеспечения аддитивного производства оптимальных структур без опор». Материалы и дизайн . 63 : 678–690. дои : 10.1016/j.matdes.2014.06.015 .
  8. ^ Тан, Юньлун; Курц, Эйдан; Чжао, Яояо Фиона (01 декабря 2015 г.). «Метод проектирования решетчатой ​​структуры, основанный на двунаправленной эволюционной структурной оптимизации (BESO), для изготовления методом аддитивного производства» . Компьютерное проектирование . 69 : 91–101. дои : 10.1016/j.cad.2015.06.001 .
  9. ^ Шмидт, М.; Заэ, М.; Граф, Т.; Остендорф, А.; Эммельманн, К.; Шайнеманн, П.; Мюнш, М.; Сейда, В. (1 января 2011 г.). «Лазеры в производстве 2011 — материалы шестой международной конференции WLT по лазерам в производстве. Лазерное аддитивное производство модифицированных поверхностей имплантатов с остеоинтегративными характеристиками» . Процессия по физике . 12 : 375–384. дои : 10.1016/j.phpro.2011.03.048 . HDL : 11420/2013 .
  10. ^ Чжан, Фэн; Чжоу, Чи; Дас, Сонджой (2 августа 2015 г.). Том 1A: 35-я конференция «Компьютеры и информация в инженерии» . стр. В01АТ02А031. дои : 10.1115/DETC2015-47772 . ISBN  978-0-7918-5704-5 .
  11. ^ Чжоу, Шивэй; Ван, Майкл Ю (18 июля 2006 г.). «Многоматериальная оптимизация структурной топологии с использованием обобщенной модели многофазного перехода Кана – Хиллиарда». Структурная и междисциплинарная оптимизация . 33 (2): 89. дои : 10.1007/s00158-006-0035-9 . ISSN   1615-147X . S2CID   120392674 .
  12. ^ Станкович, Тино; Мюллер, Йохен; Иган, Пол; Ши, Кристина (2 августа 2015 г.). «Оптимизация аддитивно изготовленных решетчатых конструкций из нескольких материалов с использованием обобщенных критериев оптимальности» . {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )
  13. ^ Ривз, Фил; Так, Крис; Хейг, Ричард (1 января 2011 г.). Фольятто, Флавио С.; Сильвейра, Джовани Х.К. да (ред.). Массовая кастомизация . Серия Springer для передового производства. Спрингер Лондон. стр. 275–289. дои : 10.1007/978-1-84996-489-0_13 . ISBN  9781849964883 .
  14. ^ Ян, Шэн; Тан, Юньлун; Чжао, Яояо Фиона (01 октября 2015 г.). «Новый метод консолидации деталей, обеспечивающий свободу проектирования аддитивного производства» . Журнал производственных процессов . Аддитивное производство. 20, Часть 3: 444–449. дои : 10.1016/j.jmapro.2015.06.024 .
  15. ^ Асман, Абдул Хади; Виньа, Фредерик; Вильнёв, Франсуа (29 апреля 2018 г.). «Оценка производительности CAD-инструментов и форматов файлов при проектировании решетчатых структур для аддитивного производства» . Журнал Технологии . 80 (4). дои : 10.11113/jt.v80.12058 . ISSN   2180-3722 .
  16. ^ Гао, Вэй; Чжан, Юнбо; Рамануджан, Девараджан; Рамани, Картик; Чен, Юн; Уильямс, Кристофер Б.; Ван, Чарли CL; Шин, Юнг К.; Чжан, Сун (декабрь 2015 г.). «Состояние, проблемы и будущее аддитивного производства в машиностроении». Компьютерное проектирование . 69 : 65–89. дои : 10.1016/j.cad.2015.04.001 . ISSN   0010-4485 .
  17. ^ Рашед, МГ; Ашраф, Махмуд; Мины, РАО; Хейзелл, Пол Дж. (5 апреля 2016 г.). «Металлические микрорешетчатые материалы: современное состояние производства, механические свойства и применение». Материалы и дизайн . 95 : 518–533. дои : 10.1016/j.matdes.2016.01.146 . ISSN   0264-1275 .
  18. ^ Фам, Минь-Сон; Лю, Чен; Тодд, Иэн; Лерттанасарн, Джедсада (2019). «Повреждаемые архитектурные материалы, вдохновленные кристаллической микроструктурой» (PDF) . Природа . 565 (7739): 305–311. Бибкод : 2019Natur.565..305P . дои : 10.1038/s41586-018-0850-3 . ISSN   1476-4687 . ПМИД   30651615 . S2CID   58014425 .
  19. ^ Рашед, МГ; Бхаттачарья, Дхрити; Мины, РАО; Саадатфар, М.; Сюй, Алан; Ашраф, Махмуд; Смит, М.; Хейзелл, Пол Дж. (23 октября 2019 г.). «Повышение прочности связи в метакристаллической решетке строительных материалов». arXiv : 1910.10658 [ cond-mat.mtrl-sci ].
  20. ^ Даулинг, Л.; Кеннеди, Дж.; О'Шонесси, С.; Тримбл, Д. (2020). «Обзор критических проблем повторяемости и воспроизводимости при сварке в порошковом слое» . Материалы и дизайн . 186 : 108346. doi : 10.1016/j.matdes.2019.108346 .
  21. ^ Дигель, О.; Нордин, А.; Мотт, Д. (2019). Практическое руководство по проектированию аддитивного производства . Серия Springer для передового производства. Сингапур: Спрингер. дои : 10.1007/978-981-13-8281-9 . ISBN  978-981-13-8280-2 . S2CID   181963805 .
  22. ^ Явари, Р.; Коул, К.Д.; Рао, ПК (2019). «Правила проектирования аддитивного производства: понимание фундаментальных тепловых явлений для уменьшения количества отходов» . Производство Процедиа . 33 : 375–382. дои : 10.1016/j.promfg.2019.04.046 .
  23. ^ Явари, Р.; Коул, К.Д.; Рао, ПК (2019). «Термическое моделирование в аддитивном производстве металлов с использованием теории графов». Журнал производственной науки и техники . 141 (7): 071007. дои : 10.1115/1.4043648 . S2CID   155207189 .
  24. ^ Денлингер, скорая помощь; Ирвин, Дж.; Михалерис, П. (2014). «Термомеханическое моделирование крупногабаритных деталей аддитивного производства». Журнал производственной науки и техники . 136 (6): 061007. дои : 10.1115/1.4028669 .
  25. ^ Jump up to: а б Мотаман, С. Амир Х.; Хаазе, Кристиан (01 мая 2021 г.). «Микроструктурное влияние на механический отклик поликристаллов: сравнительное экспериментально-численное исследование металлических материалов, изготовленных традиционным и аддитивным методами» . Международный журнал пластичности . 140 : 102941. doi : 10.1016/j.ijplas.2021.102941 . ISSN   0749-6419 . S2CID   234056213 .
  26. ^ Jump up to: а б Мотаман, С. Амир Х.; Кис, Фабиан; Кенен, Патрик; Летанг, Майке; Линь, Минсюань; Молотников Андрей; Хаазе, Кристиан (01 марта 2020 г.). «Оптимальный дизайн для аддитивного производства металлов: подход интегрированного вычислительного материаловедения (ICME)» . ДЖОМ . 72 (3): 1092–1104. Бибкод : 2020JOM....72.1092M . дои : 10.1007/s11837-020-04028-4 . ISSN   1543-1851 .
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 86a82b3056d98a55a362cec8948cf106__1704366180
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/86/06/86a82b3056d98a55a362cec8948cf106.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Design for additive manufacturing - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)