Create

Design för Additive Tillverkning (DfAM)

När man designar för 3D-printing (AM) är det viktigt men också svårt att frigöra sinnet från vanliga byggbegränsningar för att skapa nya förbättrade designer som utnyttjar fördelarna med den nya byggmetoden (designfrihet).

När man producerar den digitala komponenten är en lämplig metod att bortse från alla befintliga produktionsdetaljer och ompröva komponentens begränsningar och syfte. Att använda topologioptimering är ett exempel på omtänkande.

Topology optimization finds the best distribution of material given an optimization goal and a set of constraints” – Steven Hale

Som ett exempel i figuren nedan sätts begränsningar samt krafters riktning och styrka. Programvara (t.ex. ParetoWorks eller Solid Works) har ofta plugins för att beräkna den nödvändiga geometrin för detta. Denna geometri kan sedan anpassas till en CAD-modell (3D-computer drawing) så den går att skriva ut och även ser bra ut. Denna design kan också användas för simuleringar (för mjukvarutestning) och för utskrift. Om det finns någon lokal del av komponenten som verkar känslig för fel är det möjligt att lokalt överdimensionera just den delen för att säkerställa komponentens hållbarhet.

Andra aspekter av DfAM är tillverkningsbarhet, tillförlitlighet och kostnadsoptimering. Dessa aspekter är processrelaterade och viss expertkunskap krävs under komponentdesign och förberedelse för 3D-utskrift. 3D-printing erbjuder unika möjligheter, t.ex. anpassning, förbättring av produktprestanda och multifunktionalitet, men också möjligen lägre totala tillverkningskostnader samt reservdelsproduktion.

En guide för användning av laserbaserad pulverbäddsprocess (85% av alla metall-printade komponenter använder denna teknik) och designstegen som går före utskrift kan hittas här: 2_1 Guide for metal printing_English

DfAM exempel

För att illustrera fördelarna av 3D-printing har följande demonstratorer skapats. En fullständig rapport för dessa hittas här:

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

1. Clamp (for robots) – topologioptimering

DfAM används här för en tving att monteras på en robot. Den är skapad i aluminium (AlSi10Mg) för demonstrationsändamål, med mål att reducera vikt och möjliggöra högre vikter. Designstegen är:

  1. Skapande av en massmodell med begränsningar (constraints)
  2. Generera en preliminär 3D-modell i ParetoWorks
  3. Design av den slutgiltiga komponenten (baserat på topologioptimering), beaktande tillverkningsmetod och numerisk förtestning genom användande av Finite element analys och utskriftsmöjligheter. Stödstrukturer är också inkluderade.

Efter dessa steg följer 3d-printing och efterbearbetning. I detta fall är volymen 0,033 dm3 och stödstrukturerna 0,005 dm3 (15%). Tid och kostnad för utskrift av de fyra delarna simultant är 16,5 timmar till en kostnad av 1320€. Efterbearbetning inkluderar borttagande från byggplatta, fräsa undersida av komponenten och blästring med glaskulor, totalt ca 25 minuter per del.

2. Gas mixer – delsammanslagning

Denna demonstratordel (minskad montering och fogning) är speciellt designad för 3d-printing och har endast 2,2% stödmaterial. Designtid för denna är ca 12 timmar, åtta komponenter som slagits ihop till en enda komponent varav dessa är de fyra fötterna, tre inkanaler som går ihop till en utkanal och där kylnings-/upphettningskanaler som går i spiral runt delen (inbyggd som del av vägg istället för monterad utanpå).

Mer om DfAM

“DFAM is the synthesis of shapes, sizes, geometric mesostructures, and material compositions and microstructures to best utilize manufacturing  process capabilities to achieve desired performance and other life-cycle objectives.” -David W. Rosen

Stegen för DfAM är grovt indelade till:

  1. Kravsättning
  2. Tillverkningsmetod och material
    1. Riktlinjer för process
    2. Materialspecifika riktlinjer och begränsningar
  3. Optimisering av geometri
    1. Topologyoptimering
    2. Ta i beaktande de speciella egenskaperna hos tillverkningsprocessen
      1. Komponents riktning, stödstrukturer, toleranser, geometriska max/min storlekar, restspänningar mm.
    3. Minimera efterbearbetning
    4. Industriell design

Inre strukturer

För 3d-printing möjliggörs avancerade inre strukturer att tillverkas, ex;

  • Kanaler för gas eller vätskor
  • Kanaler för injicering av elektronik ex sensorer eller belysning
  • Inre strukturer
    • Solida
    • Matriser
    • Ihåliga
    • Bioniskt inspirerade

Förberedelse för printing

När CAD-design anpassas och förbereds för utskrift finns det kunskap om AM-processer som är fördelaktiga att nyttja eftersom det påverkar både kvalitet och kostnad, ex orientering och stödstrukturer.

I detta förarbete I DfAM kan vi ge stöd eller direkt hjälpa att förbereda komponenter för utskrift. Ytterligare riktlinjer kommer senare att produceras och läggas här.

Det finns manga idéer om hur tid kan minskas under designfasen av delar och hur det kan göras mer autonomt och enkelt.

Standarder

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

Gratis riktlinjer

Fraunhofer IWU: DESIGN FOR ADDITIVE MANUFACTURING – Guidelines and Case Studies for Metal Applications

Renishaw: Design for metal AM – a beginner’s guide

Materialise: Design guidelines 

VTT (Erin Komi): Design for Additive Manufacturing

VTT: Design guide for additive manufacturing of metal components by SLM process

European Additive Manufacturing Group (EuroAM)

Design Strategies for the Process of Additive Manufacturing (journal paper)