Skapa

Image Credit: Oakridgelab

Design för additiv tillverkning (DfAM, Design for Additive Manufacturing)

Under design av komponenter för 3D-printing (AM) är det viktigt men också svårt att frigöra sinnet från normala tillverkningsbegränsningar (designfrihet) för att skapa nya förbättrade ritningar som nyttjar fördelarna med den nya tillverkningsmetoden.

Vid framställning av den digitala komponenten är en metod att bortse från eventuella produktionsdetaljer och ompröva komponentens restriktioner och syfte. Att använda topologioptimering är ett exempel på omprövning

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

Som ett exempel nedan, kan restriktioner, styrka och riktning för krafter ställas in för att beräkna minsta nödvändiga geometri för en komponent. Verktyg för detta finns ex inbyggda i ParetoWorks eller SolidWorks. Denna geometri kan sedan anpassas till en CAD-modell (3D-datorritning) som också kan användas för simuleringar och 3D-utskrift. Om det finns någon lokal del i komponenten som verkar extra känslig för brott är det möjligt att lokalt förstärka kompnenten för att säkerställa komponentens tillförlitlighet.

Andra aspekter inom DfAM är tillverkningsförmåga, tillförlitlighet och kostnadsoptimering. Dessa aspekter är processrelaterade och expertkunskap krävs vid komponentdesign och förberedelse för 3D-utskrift. 3D-printing erbjuder unika möjligheter, ex anpassning, tillverkning av reservdelar, förbättring av produktprestanda och multifunktionalitet, men även möjlig reducering av tillverkningskostnad totalt.

Exempel för DfAM

För att illustrera fördelar med 3D-printing har följande demonstratorer tillverkats. En full rapport för dessa hittas här: Report 1 for C3TS_Demonstration parts and DFAM(Design for additive manufacturing)

1. Tving – topologioptimering

DfAM används här för att rita en del del i aluminium (AlSi10Mg) för demonstrationsändamål med mål att reducera vikt och öka nyttolast. Designprocessen innefattar:

  1. Skapande av en massmodell och dess begränsningar
  2. Generera en preleminär 3D-geometri med ParetoWorks
  3. Formge den slutliga geometrin (baserad på tidigare topologioptimering), där även hänsyn tas till aktuell 3D-printingmetod och numeriskt förtesta modellen med Finit-element analys och utskriftsbarhet. Supportstrukturer tillsätts också

Efter dessa steg påbörjas utskrift och därefter efterbearbetning. I detta fall är totala volymen för komponenten 0.033 dm³ och stödstrukturer 0.005 dm³ (15%). Tid och kostnad för simultan utskrift av fyra delar är 16.5 timmar till en kostnad av 1320€. Efterbearbetning involverar borttagning från byggplatta, fräsning av bottenytan och blästring med glaskulor, totalt 25 minuter per del.

Detta bildspel kräver JavaScript.

2. Gasblandare – konsolidering av delar

Denna demonstratordel (minskad montering) var speciellt formad för 3D-printing och har endast 2,2% stödmaterial. Designtid var ca 12 timmar och innefattar åtta delar som konsoliderats till en enda. Fyra fötter att stå på, tre kanaler som blandar och leder gas till utblås, med kylnings-/uppvärmningskanaler som omger komponenten.

För fyra samtidiga utskrifter med lager på 30 µm i tjocklek och tog 29 h till en kostnad på 580€ per del. Varje del behövde 30 minuters efterbearbetning; 5 minuter borttagning från byggplattform, 20 minuter fräsning och 5 minuter blästring.

Detta bildspel kräver JavaScript.

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 kan grovt delas in i följande ordning:

  1. Funktionskrav
  2. Tillverkningsmetod och material
    1. Riktlinjer för processen
    2. Materialspecifika riktlinjer och begränsningar
  3. Optimering av geometri
    1. Topologyoptimering
    2. Beaktande av de speciella egenskaperna för tillverkningsprocessen
      1. Orientering, stödstrukturer, toleranser, geometriska egenskaper max/min-storlekar, restspänningar etc
    3. Minimera efterbearbetning
    4. Industriell design

DFA_DFM iteration cycle

Inner structures

Vid 3D-printing är avancerade inre strukturer möjliga att göra, ex:

  • kanaler för gas- ellervätskeflöden
  • kanaler för inbäddning av elektronik, ex sensorer och ljus
  • inre strukruter
    • solida
    • gitter
    • ihåliga
    • bio-inspirerade

Förbereda för utskrift

När CAD-ritningen justeras och förbereds för utskrift behövs viss kunskap om AM-processen eftersom slutresultatet och byggkostnaden kan bero på orientering och design av stödstrukturer (för attens lyckas få bra resultat).

Vid förberedelsesteget för DfAM erbjuder vi support eller ibland direkt hjälp med att förbereda komponenter för utskrift. Ytterligare riktlinjer kommer att skapas och läggas här.

Utveckling hos mjukvaruleverantörer är att erbjuda verktyg som minskar tid för design och hur den kan bli mer semi-automatisk och stödjande.

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

Publika riktlinjer för DfAM

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)

janfrostevarg

Project coordinator