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.
Фон
[ редактировать ]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».
Методы
[ редактировать ]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]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ 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 .
- ^ 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.
- ^ Хендриксон, Стефани (24 апреля 2017 г.), «Как думать о дизайне для аддитивного производства» , Modern Machine Shop , получено 5 мая 2017 г.
- ^ «ASTM F2792-12a Стандартная терминология для технологий аддитивного производства (отозвано в 2015 г.)» . www.astm.org . Проверено 03 сентября 2016 г.
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 ) - ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 ].
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .