Diseño para Manufactura Aditiva (Impresion 3d) [PDF]

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(Re) Diseño para Fabricación Aditiva Resumen La impresión 3D se ha utilizado para crear prototipos durante la fase de desarrollo durante más de 20 años. Ahora, las partes funcionales pueden imprimirse directamente en polvos metálicos específicos utilizando técnicas similares capa por capa. El método aditivo es diferente a los métodos tradicionales de producción en serie, lo que crea nuevas posibilidades para que los diseñadores realicen ideas de diseño nuevas y diferentes que antes eran imposibles de fabricar. Cuando los productos se producen en masa, hay un deseo de mejorar la capacidad de fabricación. Esto lo hace tradicionalmente un diseñador con conocimiento sobre ciertos métodos de fabricación que modifican las opciones de diseño para que sea más económico de fabricar. Este documento muestra diferentes métodos de diseño para AM (DfAM) en los que tanto el rendimiento como el costo de la pieza son interesantes. Se suma a la investigación existente al clasificar el diseño para la fabricación aditiva en dos clases diferentes; Procesamiento de piezas y moldeado de procesos. Se sugiere un modelo de costo-predicción para las partes impresas de fusión por láser selectivo (SLM) como paso inicial para elegir las piezas para el rediseño desde una perspectiva económica. Se presenta un estudio de caso de un haz lanzamisiles rediseñado para la fabricación aditiva utilizando tres enfoques diferentes. Se discuten las diferencias y similitudes en los métodos de diseño y las partes rediseñadas se comparan en términos de masa y costo. Se muestra que el rediseño para AM puede reducir la masa, pero dependiendo del tamaño de la pieza y la velocidad de impresión, la pieza puede ser más costosa que el diseño original, creando una necesidad de conocer el valor del cliente de lo que la pieza rediseñada proporciona, en este caso, el Valor de masa reducida. 1. Introducción La impresión 3D se ha utilizado para crear prototipos durante la fase de desarrollo durante más de 20 años. Las partes funcionales ahora pueden imprimirse directamente en polvos metálicos específicos. Esto crea nuevas posibilidades para que los diseñadores realicen diferentes ideas de diseño que antes eran imposibles de fabricar. Dependiendo de la forma, el material, el volumen de la serie y otros criterios, la producción en serie es económicamente posible utilizando la fabricación de aditivos metálicos. Cuando los productos son producidos en masa, el bajo costo de las partes también es importante. Tradicionalmente, un diseñador mecánico contribuye a esto al saber qué opciones de diseño determinan el costo de ciertos métodos de fabricación y ajustan las opciones de diseño para reducir el costo de producción en serie. Los diseñadores mecánicos necesitan conocer las limitaciones de fabricación para poder compensar el rendimiento frente al costo de producción en serie. Diferentes productos tienen diferentes concesiones para esta compensación. Es más probable que los autos de carrera o los autos deportivos exclusivos utilicen materiales y soluciones técnicas de alto rendimiento y alto costo que los autos normales. Los clientes de autos de carreras valoran el desempeño más que el precio. Los clientes domésticos valoran tanto el precio como el rendimiento, algunos quizás solo el precio.

La fabricación de aditivos metálicos mediante un proceso de fusión de lecho de polvo (PBF) es un método de fabricación que puede proporcionar un valor adicional al cliente mediante el uso de las ventajas específicas de los métodos. La libertad de forma es una ventaja tal, según Klahn et al. [1]. En este documento, se utilizan diferentes métodos para crear formas que son difíciles o costosas de fabricar utilizando la fabricación tradicional para rediseñar una viga lanzadora de misiles. Los diferentes métodos se clasifican en formas dirigidas por procesos y por diseñadores. La forma impulsada por el proceso utiliza el método de optimización de topología sin condiciones de simetría de fabricación para restringir la solución óptima para reducir la masa. La forma impulsada por el diseñador utiliza celosías para reducir la masa y reducir el tiempo de impresión al hacer que la estructura sea autosuficiente. El costo de la pieza en blanco se predice usando simulaciones de tiempo de construcción y se compara con el diseño original por costo y masa. Los resultados muestran que las piezas más grandes son costosas de construir con AM y, por lo tanto, es importante conocer el valor de un mayor rendimiento para seleccionar las piezas para rediseñarlas con precisión y para que las piezas rediseñadas alcancen la producción en serie. Se sugiere una estimación del costo de la pieza de AM utilizando diseños existentes que se reducen por volumen como pasos iniciales para la selección del rediseño de la pieza de AM. La figura 1 muestra una parte del campo de investigación en la mañana. Algunas referencias a la literatura [1-10] están en círculos. Los cuadros amarillos indican métodos normalmente controlados por el diseñador, el azul muestra el diseño dirigido por el proceso. Las casillas en negrita son métodos utilizados para rediseñar en este estudio de caso. 2. Cómo diseñar para AM: procesos controlados por procesos y por diseñadores Dos clases diferentes de métodos de diseño, impulsados por procesos La forma y la forma dirigida por el diseñador se clasifican a continuación. La forma dirigida por el proceso se centra en reducir la interacción manual con un diseñador humano para reducir el tiempo de diseño y / o mejorar el rendimiento del diseño. La forma impulsada por el diseñador es un proceso con un diseñador humano que maneja la forma, contribuyendo con conocimiento sobre la fabricación para evitar las piezas costosas producidas en serie. Ambos métodos deberán considerar el aspecto de la capacidad de fabricación de AM, el aumento del rendimiento de balance y el costo por pieza en la producción en serie. 2.1. Forma impulsada por el proceso La forma dirigida por el proceso en forma de optimización de topología es un método que puede aprovechar la capacidad de complejidad de la forma de AM para aumentar el rendimiento de la pieza. Algunos códigos de optimización de topología proporcionan restricciones de simetría para mejorar la capacidad de fabricación al reducir la libertad de forma para el solucionador iterativo [11]. Leary et al. demostró que es posible intercambiar la estructura de soporte con los algoritmos de optimización de topología, reduciendo la impresión a la mitad a expensas del 15% de aumento de masa usando una impresora de plástico [9].

En este estudio de caso, Inspire [11] se utiliza para crear una forma óptima que no está limitada por las condiciones de simetría de fabricación. El ingeniero debe conocer la simulación de elementos finitos (FEA) y las habilidades relacionadas, además de las cargas precisas para obtener resultados confiables. 2.2. Forma impulsada por el diseñador La forma dirigida por el diseñador es manejada manualmente por un diseñador humano. El objetivo a menudo es reducir el costo de la pieza utilizando el conocimiento del diseñador sobre un método de fabricación elegido. Describir las capacidades del método de fabricación, como las propiedades de los materiales, la precisión dimensional y los factores de costo, junto con un diálogo con un fabricante de AM, a menudo es suficiente para que los procesos de modelado impulsados por el diseñador sigan funcionando. PBF es un proceso capa por capa que da resultado dependiendo de la dirección de construcción. Un proceso de diseño y fabricación, una vez que se haya seleccionado a AM como un método de fabricación preferido utilizando el conocimiento de las fortalezas y debilidades de los métodos, incluye pasos como; 1. Seleccione una dirección de construcción (reduzca la altura de construcción si imprime pocos, empaque la cámara de compilación lo más llena posible si imprime muchos, reduciendo la altura de construcción por pieza) 2. Agregue material de tolerancia en las superficies a mecanizar. 3. Cambie la geometría si es posible 3.1. Haga que el diseño sea autosuficiente, reduzca la estructura de soporte. 3.2. Aumente la probabilidad de creación correcta utilizando la experiencia del constructor de AM y la investigación académica 3.3. Integrar partes no móviles del mismo material en una parte. 3.4. Reducir el volumen de la pieza para disminuir el tiempo de compilación Algunas de las restricciones topológicas de PBF se capturan en el preprocesamiento de la compilación. Algunos están basados en la experiencia donde

Los estudios de investigación [3-5] pueden usarse para evitar problemas de construcción. La entrada al proceso de diseño a veces incluye cargas estimadas. En estos casos, los prototipos se fabrican y se deben probar para cumplir con los requisitos en un entorno relevante. 3. Rediseño de viga para AM. 3.1. Método Se seleccionó una parte existente con para rediseñar para AM. La pieza es transportada por el hombre y es parte de una aplicación que no es de vuelo, de modo que la masa puede reducirse sin costosas pruebas de vuelo. El objetivo del diseño es reducir el volumen de piezas para reducir los costos y mejorar la portabilidad del hombre. La parte encaja dentro de la cámara de fabricación, pero originalmente se fabrica en magnesio que no existe en forma de polvo comercialmente, por lo que comparamos los resultados como si el diseño anterior se hubiera fabricado en aluminio. Para comparar el costo de la serie entre los diseños antiguos y nuevos, la cámara de compilación AM se empaquetó con la cantidad máxima de piezas, todas compartiendo un costo de depósito de pólvora para la altura de construcción. El diseño de celosía se realizó en Materialise Magics [12], un preprocesador de AM común, que utiliza la celosía Octet Truss con un tamaño de celda de 10 mm. El espacio de diseño no utiliza pared exterior. Dado que Magics no puede variar el tamaño de la celda independientemente, el diámetro del puntal se convirtió en aproximadamente 1,7 mm. La optimización de la topología se realizó en SolidThinking Inspire. Las cargas de 1500N desde la parte superior y 500N desde el lado y las restricciones se asignaron a los volúmenes de la interfaz. Las propiedades de material para AlSi10Mg fueron creadas y aplicadas. Los criterios de solución fueron maximizar Rigidez al tiempo que reduce la masa. Se agregaron estudios de forma adicionales cuando se planteó la pregunta "cómo reducir el costo y la masa de los espacios de interfaz". ¿Se podrían combinar la optimización de celosía y topología? Los espacios de la interfaz tienen requisitos de ajuste en las superficies exteriores, pero no necesitan ser sólidos.

Los dos extremos de la viga se enrejaron internamente con un grosor de pared de 2 mm y se unieron a un espacio de diseño optimizado impulsado por el proceso en el centro. Esta alternativa creará el volumen de pieza mínimo absoluto y el costo de la pieza. El diseño y los espacios de interfaz generados en el dominio CAD se muestran en la figura 2 con definiciones de subvolumen. La exportación de datos STEP se usó para permitir que Magics cree una teselación de alta precisión para las superficies de volumen de la interfaz exterior sin problemas. Para el diseño de celosía, dos hojas de conexión por encima y por debajo del espacio de diseño se mantuvieron como un enfoque de viga en I para mejorar la rigidez. La optimización de topología no tenía estas hojas. Figura 2. Información para rediseñar para AM utilizando optimización de topología y celosías. La estimación del costo de la parte se realiza mediante simulaciones de tiempo de impresión en una máquina EOS M290 de fusión por láser selectiva (SLM) con un polvo de AlSi10Mg de 30 μm por capa. Solo se incluye el costo debido al tiempo de impresión (suponiendo un costo de máquina de 120 € / h). El costo de la pieza real sería ligeramente mayor debido al costo adicional del polvo y al corte posterior a la máquina del proceso de los volúmenes de la interfaz. Los pasos básicos de la forma dirigida por el diseñador a través del diseño de celosía en Magics se muestran en la figura 3. Los pasos básicos de la forma controlada por el proceso a través de la optimización de topología usando Inspire se muestran en la figura 4.

La selección de la dirección de construcción más económica desde la perspectiva de producción en serie se realizó en colaboración con una empresa de impresión de AM. Debido al tamaño de la pieza (dimensiones del cuadro delimitador 280x60x110mm) y el tamaño del volumen de construcción, (EOS M290 volumen de construcción 250x250x350mm) la utilización más económica del volumen de construcción fue en una configuración de pie como se ve en la figura 5.

En la figura 6 se presentan tres alternativas de diseño. El diseño original del modelo, si se iba a imprimir (azul), muestra el efecto de soporte interno que un diseñador de AM desea eliminar para reducir costos. Al alterar los ángulos de refuerzo, se convierten en autoportantes (verde) y reducen el tiempo de impresión de 16.6 h / parte a 15.0 h / parte para 8 partes. La complejidad de la forma AM de las celosías impulsadas por el diseñador (rojo) hace que el espacio de diseño sea autosuficiente, pero las impresiones son más lentas que la topología de conversión modificada en un volumen de pieza similar. El efecto combinado de la forma controlada por el proceso de la optimización de la topología del espacio de diseño y Las celosías generadas internamente, impulsadas por el diseñador en los espacios de las interfaces (amarillo), proporcionan el volumen de pieza más bajo.

Figura 6 La viga amarilla combina formas de celosía y topología, la viga verde solo modifica algunos ángulos para reducir la acumulación de soporte interno, y la viga roja usa celosías para reducir el volumen del espacio de diseño de carga de carga La Tabla 1 resume los volúmenes V1-V3 de Figura 2 y los compara con el diseño original. La Figura 7 muestra una vista en corte de la red combinada + topología optimizada (TO)

diseño. La Tabla 2 compara los costos relacionados con el tiempo de impresión y la masa de los rediseños con el diseño original. Tabla 1. Espacio de diseño y volúmenes de espacio de interfaz

4. Discusión Los resultados del rediseño muestran que elegir cuándo rediseñar para AM es importante. En este caso, la masa reducida tuvo un gran aumento en el costo por parte. Algunos clientes y productos podrían aceptar dicho aumento de costos debido a un mayor rendimiento. El beneficio para el cliente de 0.15 kg menos de masa en este caso no se valora a un aumento de costo de 1600 € por pieza. Las directrices de diseño sobre cómo mejorar el rendimiento de las piezas son específicas de

la industria y del producto. Diferentes industrias hacen diferentes concesiones cuando se trata del costo de la pieza frente al rendimiento de la pieza. Las industrias donde el rendimiento es más importante que el costo de la pieza, donde los volúmenes de serie son bajos, donde el uso de materiales duros aumentan el rendimiento y reducen los tiempos de impresión debido a que se imprime menos volumen, es más probable que aprendan el diseño para AM en formas específicas de la industria. Un conocimiento importante en la creación de productos de baja masa que utilizan la forma dirigida por el proceso a través de la optimización de la topología o los procesos impulsados por la FEA es el conocimiento de las cargas y otros criterios de dimensionamiento. En este caso, las cargas debían ser asumidas ya que el diseño original usaba un enfoque de prueba de diseño impulsado por el diseñador y faltaban cargas. Un diseñador, que está acostumbrado a manejar la forma a través del modelado CAD, puede no tener las habilidades de análisis o software necesarios para manejar la forma a través de la optimización de la topología. En un desarrollo industrial de la vida real, las tareas de diseño que se muestran aquí probablemente se dividirán en diseño y optimización donde el primer paso del diseño crearía un modelo de volumen máximo de acuerdo con las interfaces y el espacio permitido, y en un segundo paso, simulado y optimizado por un FEA ingeniero cualificado. Con el fin de restringir una optimización de topología para imitar las restricciones de fabricación de AM, se debería elegir una dirección de construcción, y los puntales que necesitan estructura de soporte deberían ser Penalizado durante la resolución iterativa. En este caso, el espacio de diseño o las cargas no fueron lo suficientemente asimétricas para generar una forma avanzada. En cambio, el resultado fue similar a una forma cuadrada de tubo hueco que, retrospectivamente, se entiende debido a la condición de flexión del haz de carga de doble dirección. La fabricación aditiva puede soportar un proceso de verificación y desarrollo basado en pruebas mediante el suministro de prototipos rápidos. El diseñador tiene la necesidad de crear prototipos para pruebas funcionales desde el principio, ya que es posible que no se conozcan las cargas, o que falten las habilidades de los procesos FEA. Casi inmediatamente, se debe elegir un método de fabricación y tener un tiempo de entrega reducido, preferiblemente, se elige un método sin herramientas durante el desarrollo para reducir el tiempo de entrega. El diseño de celosía no redujo el volumen de la pieza debido a la elección del patrón de celosía. Magics (versión 19) no ofrece la posibilidad de variar el tamaño de celda y la sección transversal del puntal de forma independiente. No permite que los patrones de celosía se ajusten a espacios de diseño no cúbicos. Los diseños de celosía más avanzados tendrían que hacerse en CAD u otras herramientas como Within [13]. También se imprimió más lento que el diseño de molde modificado, probablemente debido a estrategias de impresión por defecto subóptimas de las celosías. El diseño de celosía en este caso tendría que ser fabricado y probado para el rendimiento, ya que Magics no se integra a FEA como lo hace Within. Cuando las cargas son inciertas en cuanto al valor o la dirección, el uso de celosías podría ser un método de diseño beneficioso en comparación con

la optimización de la topología. La definición de los elementos de diseño en el dominio de fabricación crea ambigüedad de lo que es el maestro de diseño. Sin embargo, la velocidad y la facilidad de diseño de celosías en Magics para predecir las posibilidades de reducción de masa es una ventaja. Las operaciones booleanas con patrones de celosía en Magics en este estudio se realizaron en unos pocos minutos. Se creó una celosía cúbica centrada en el cuerpo impulsada por CAD con un diámetro de puntal de 1.5 mm con un tamaño de celda de 10 mm que redujo el volumen del espacio de diseño en comparación con la celosía que se muestra en la tabla 2. La intersección del patrón con el espacio de diseño creado> 18,000 superficies BREP con un tamaño de archivo CAD que excede los 600Mb con tiempos de reconstrucción imprácticos. Al cambiar las dimensiones de la red, la reconstrucción a veces fallaba debido a que las operaciones booleanas no se completaban. Habría que trabajar más para crear con éxito un diseño de celosía práctico y conforme al dominio de CAD. El volumen de la pieza podría reducirse aún más cambiando el material a titanio con mejores propiedades de tensión relativa que el aluminio. La impresión de la pieza en titanio y fusión de haz de electrones (EBM) disminuiría el costo de la pieza debido a que se necesita menos material para transportar las mismas cargas y velocidades de impresión más rápidas que las de SLM. Sin embargo, la evacuación del polvo de las celosías internas dentro de los espacios de la interfaz probaría desafiante. Los resultados muestran que es necesario reducir el volumen de piezas manteniendo las dimensiones del cuadro delimitador para predecir anticipadamente el costo de impresión a fin de seleccionar las piezas para el rediseño que pueden llevar el costo de la pieza supuestamente aumentado. La Figura 8 muestra un modelo de predicción de costos que puede dar una idea del costo de las partes utilizando cifras de orden de magnitud aproximado para los costos relacionados con el tiempo de impresión. Usando esto El modelo en un volumen reducido del 30% del diseño original del reparto da como resultado un costo de tiempo de impresión por parte de 1300 € -2200 € que podría utilizarse para decidir rápidamente si vale la pena invertir en el nuevo diseño.

Figura 8. Selección de parte de la estimación de costos para el rediseño para el proceso de AM La Figura 9 muestra las similitudes y diferencias entre los dos métodos de diseño mostrados en este estudio. 5. Conclusiones La forma de diseñar para AM se dividió en dos clases, según el proceso y la forma dirigida por el diseñador. La forma impulsada por el proceso a través de procesos iterativos impulsados por el análisis crea valor para el cliente al aumentar el rendimiento. Se deben conocer los criterios de carga y dimensionamiento junto con el conocimiento de análisis. Un método de diseño impulsado por el diseñador mediante celosías en el dominio de fabricación también puede reducir el volumen y, por lo tanto, el tiempo de impresión y el costo de la pieza. Sin embargo, las celosías no son fáciles de analice el rendimiento debido a la complejidad geométrica y que el dominio AM a veces usa triángulos distorsionados. Los rediseños se volvieron más de 30 veces más caros de fabricar que el diseño original, lo que sugiere la necesidad de realizar estimaciones de costos preliminares para seleccionar piezas para el rediseño y saber si un aumento de rendimiento puede permitir un costo de fabricación mayor.

6. Agradecimientos Los autores agradecen gratamente a Production2030, el programa estratégico para la investigación e innovación de la producción en Suecia y la Fundación del Conocimiento, por su apoyo financiero. Gracias también a Lasertech por proporcionar simulaciones de tiempo de construcción de los diseños.