DESIGN

Image Credit: Oakridgelab

Design for Additive Manufacturing (DFAM)

Ved design for 3D-printing (AP) er det viktig, men også vanskelig å frigjøre sinnet fra vanlige konstruksjonsbegrensninger (designfrihet) for å skape nye innovative design som utnytter fordelene ved den nye byggemetoden.

Når du produserer den digitale komponenten, er en metode å se bort fra eventuelle produksjonsdetaljer, begrensningene og hensikten med komponenten. Å bruke topologi optimalisering er et eksempel på omtanke.

«Topologi optimalisering finner den beste fordeling av materiale gitt et optimaliseringsmål og et sett av begrensninger» – Steven Hale

Som et eksempel i figuren nedenfor er det satt inn begrensninger, styring og styrken av kreftene er satt. Programvare (for eksempel ParetoWorks eller SolidWorks) har ofte plugins for å beregne den nødvendige geometrien til en komponent. Denne geometrien kan da tilpasses til en CAD-modell (3D-tegning) som også kan brukes til simuleringer (myk testing) og printing. Hvis det er en lokal del på selve komponenten som virker følsom for feil, er det mulig å lokalt overdimensjonere den spesielle delen for å sikre komponentens holdbarhet.

Andre aspekter ved DFAM er produserbarhet, pålitelighet og kostnadsoptimalisering. Disse aspektene er prosessrelaterte og eksperter kreves under design av komponenter og forberedelse for printing. 3D-printing tilbyr unike muligheter, f.eks. tilpasning, forbedring av produktytelse og multifunksjonalitet, men også muligens lavere samlede produksjonsomkostninger og produksjon av deler på steder det er vanskelig å komme til.

DfAM examples

For å illustrere fordelene med 3D-printing ble følgende demoer designet. En full rapport for disse finner du her:

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

  1. Klemme (for roboter) – optimalisering av topologi

DfAM er her brukt til å designe en klemme i aluminium (AlSi10Mg) til demonstrasjonsformål (optimalisering av topologi), med sikte på å redusere vekten som gir høyere nyttelast. Designprosessen inkluderer:

  1. Opprette en modell med begrensninger
  2. Genererer en foreløpig 3D geometri ved hjelp av ParetoWorks
  3. Design av endelig geometri (basert på tidligere optimalisering av topologi), med hensyn til produksjonsmetode og numerisk forhåndsprøving av modellen ved hjelp av Finite analyse og trykkbarhet. Støtte strukturer er også lagt til.

Etter disse trinnene følger 3D-printing og etterbehandling. I dette tilfellet er komponenten i volum 0,033 dm³ og støttestrukturer er 0,005 dm³ (15%). Tid og kostnader for utskrift av fire deler samtidig er 16,5 timer til en pris på 1320 €. Etterbehandling involverer fjerning fra byggplate, fresing av bunnsoverflate og glaskuglespring på ~ 25 minutter per del.

Denne bildekrusellen krever javaskript.

  1. Gassblander – delkonsolidering

Denne demo delen (redusert montering) ble spesielt designet for 3D-printing og har kun 2,2% støttemateriale. Designtiden var ca 12 timer, inkludert åtte komponenter konsolidert i ett stykke. Fire føtter å stå på, tre kanaler kombinerer gass i et dyseutløp, med kjøling- og oppvarmingskanaler som spiraler rundt delen.

For fire komponenter printet samtidig ble utskrift med 30 μm tykkelse tatt på 29 timer til en pris på 580 € per stykke. Det kreves 30 minutter etterbehandling per del: 5 minutter for å løsne fra plattform, 20 min maskinbearbeiding og 5 min sprengning.

Denne bildekrusellen krever javaskript.

Mer om DfAM

«DfAM er syntesen av former, størrelser, geometriske meso strukturer og materialblandinger og mikrostrukturer for best å utnytte produksjonsprosessegenskaper for å oppnå ønsket ytelse og andre levetids mål.» -David W. Rosen

Stegene under DfAM er grovt delt inn i:

1.Krav

2.Fremstillingsmetode og materiale

2.1. Retningslinjer for prosess

2.2. Spesifikke retningslinjer og begrensninger for matriale

3.Optimalisering av geometri

1.Topologi optimalisering

2.Ta hensyn til de spesielle egenskapene til produksjonsprosessen

2.1. Del orientering, støttestrukturer, toleranser, geometrisk funksjon min/maks størrelser,                                restspenning osv

3. Minimer etterbehandling

4.Industriell design

DFA_DFM iteration cycle

Indre strukturer

Når 3D-printing er tilgjengelig, er det mulig å lage avanserte indre strukturer, for eksempel;

  • kanaler for gass eller væskestrømmer
  • kanaler for innføring av elektronikk som sensorer eller belysning
  • indre strukturer
    • Solid
    • gitter
    • hul
    • bio-inspirert

Forberedelse for printing

Når man justerer CAD-design og forbereder seg til printing, er det nødvendig med kunnskap om AP-prosessen, da sluttresultatet og byggekostnaden kan avhenge av byggeorienterig og utforming av støttestrukturer.

I dette forberedelsestrinnet i DFAM, vil vi enten gi støtte eller direkte hjelp til å forberede komponentene til printing. Ytterligere retningslinjer vil senere bli produsert og satt her for din lettvinthet.

Det er mange tiltak på hvordan du reduserer tiden som trengs i designfasen av deler og hvordan du gjør det mer automatisk/støttende.

DFAM

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 retningslinjer

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)

albaramustafa