Create

Suunnittelu lisäävä valmistus huomioiden (DFAM)

3D-tulostusta (AM) suunniteltaessa on tärkeää, mutta myös haastavaa vapauttaa mielikuvitus perinteisistä suunnittelun rajoituksista, jotta voidaan luoda uusia parannettuja rakenteita, jotka hyödyntävät lisäävien valmistusmenetelmien etuja.

Suunnittelussa AM menetelmiä hyödyntäen kohdistetaan huomio ensisijaisesti komponentin tarkoitukseen, toimintoihin ja rajoituksiin. Topologinen optimointi on yksi esimerkki uudelleenajattelusta, jossa pyritään aikaansaamaan mahdollisimman optimaalisesti toimiva osa hyödyntämällä valmistustekniikan mahdollistamaa geometrista vapautta.

”Topologinen optimointi löytää parhaan materiaalin jakautumisen optimointitavoitteen ja rajoitusten perusteella” – Steven Hale

Alla olevassa esimerkissä asetetaan rajoitukset sekä voimien suunta ja suuruus. Ohjelmistoissa (esim. ParetoWorks tai Solid Works) on usein lisäosia optimoidun geometrian laskemiseksi. Laskettu geometria voidaan sitten sovittaa 3D-CAD-malliin, jota voidaan käyttää myös FEM-simulaatioihin ja tulostusohjelman tekemiseen. Jos FEM-laskenta osoittaa, että komponentissa on jokin paikallinen alimitoitettu alue, tätä aluetta voidaan tietenkin vahvistaa.

Muita DFAM:n (suunnittelu lisäävä valmistus huomioiden) hyödyntämiseen liittyviä asioita ovat valmistettavuus, luotettavuus ja kustannusten optimointi. 3D-tulostus tarjoaa ainutlaatuisia mahdollisuuksia, mm. räätälöinnit, tuotteiden suorituskyvyn ja monitoimivuuden parantaminen, mutta myös usein alempia kokonaisvalmistuskustannuksia ja mahdollisuuden komponenttien ja varaosien tuotantoon syrjäisimmilläkin seuduilla: 2_1 Opas metallien tulostukseen_Suomi

DFAM esimerkkejä

3D-tulostuksen etujen havainnollistamiseksi suunniteltiin seuraavat demonstraatiot. Täydellinen raportti näistä löytyy täältä:

Report 1 for C3TS_Demonstration parts and DFAM(Design for additive manufacturing)

1. Robottitarraimen osa – topologinen optimointi

DFAM suunnittelussa hyödynnettävää topologian optimointia käytetään tässä alumiinisen tarrainosan (AlSi10Mg) suunnitteluun. Tavoitteena on vähentää painoa kuitenkin mahdollistaen suuremman hyötykuorman. Suunnitteluprosessi sisältää:

  1. Massamallin luominen rajoituksilla
  2. Alustavan 3D-geometrian luominen ParetoWorksin avulla
  3. Lopullisen geometrian suunnittelu (perustuen aikaisempaan topologiseen optimointiin), valmistusmenetelmä huomioiden ja mallin numeerinen esitestaus FE-analyysillä sekä tulostettavuuden testaus. Myös tukirakenteet lisätään.

Näiden vaiheiden jälkeen seuraa 3D tulostus ja jälkikäsittely. Tässä tapauksessa kappaleen tilavuus on 0,033 dm³ ja tukirakenteet 0,005 dm³ (15 %).

Aika ja kustannukset neljän osan tulostamiseksi ovat 16,5 tuntia ja 1320 €. Jälkikäsittely sisältää rakennusalustalta poistamisen, pohjapinnan jyrsimisen ja lasikuulapuhalluksen. Jälkikäsittelyn aika arvio ~25 minuuttia/kpl.

2. Kaasusekoitin – osien yhdistäminen

Tämä esittelyosa on suunniteltu erityisesti 3D tulostukseen ja siinä on vain 2,2 % tukimateriaalia. Suunnitteluaika oli noin 12 tuntia, sisältäen kahdeksan osaa yhdistettynä yhdeksi kappaleeksi. Kapllaleessa on neljä tukijalkaa ja kolme kaasukanavaa yhdistyy yhdeksi suuttimeksi lisäksi jäähdytys-/lämmityskanavat kiertävät osan ympäri.

Lisää DFAM:sta

”DFAM on muotojen, kokojen, geometristen rakenteiden sekä materiaalikoostumusten ja mikrorakenteiden synteesi, jolla valmistusprosessin kykyjä voidaan parhaiten hyödyntää halutun suorituskyvyn ja muiden elinkaaritavoitteiden saavuttamiseksi.” -David W. Rosen

DFAM:n vaiheet on karkeasti jaettu:

  1. Vaatimukset
  2. Valmistusmenetelmä ja materiaali
    1. Prosessin ohjeet
    2. Materiaalikohtaiset ohjeet ja rajoitukset
  3. Geometrian optimointi
    1. Topologinen optimointi
    2. Valmistusprosessin erityispiirteiden huomioon ottaminen
      1. Osien suuntaus, tukirakenteet, toleranssit, geometristen piirteiden min/max koot, jäännösjännitys jne.
    3. Jälkikäsittelyn minimoiminen
    4. Teollinen muotoilu

Sisäiset rakenteet

3D tulostuksessa on mahdollista tehdä edistyksellisiä sisärakenteita, esim.:

  • kanavat kaasu- tai nestevirtauksille
  • kanavat elektroniikan, kuten antureiden tai valaistuksen, liittämistä varten
  • sisäiset rakenteet
    • kiinteä
    • hila
    • ontto
    • biovaikutteinen

Tulostuksen esivalmistelut

CAD-suunnittelussa ja tulostuksen ohjelmoinnissa tarvitaan AM-prosessin tuntemusta, koska lopputulos ja kustannukset riippuvat myös rakenteen suunnasta ja tukirakenteiden suunnittelusta.

Tulostuksen esivalmistelut sisältävät kappaleen sijoittelun alustalle tulostusmenetelmän kannalta parhaimpaan asentoon ja mahdollisten tukirakenteiden lisäämisen. Lisää ohjeita tulee myöhemmin ja ne laitetaan tänne.

On olemassa monia vaihtoehtoja sille, kuinka lyhentää osien suunnitteluvaiheeseen tarvittavaa aikaa ja miten tehdä siitä automaattisempi.

Standardit

ISO / ASTM52910-17: Standard Guidelines for Design for Additive Manufacturing

VDI 3405 Part 3: Additive manufacturing processes, rapid prototyping – Design rules for part production using laser sintering and laser beam melting