ДИЗАЈН ЗА АДИТИВНО ПРОИЗВОДСТВО НА НЕЛИНЕАРНИ ФЛЕКСИБИЛНИ СТРУКТУРИ СО ЌЕЛИИ
Од зборникот на трудови од конференцијата ASME 2019 за паметни материјали, адаптивни структури и интелигентни системи.
SMASIS 2019 / 9 – 11 септември, 2019 година, Луисвил, Кентаки, САД.
АПСТРАКТ
Нелинеарните структури со ќелии се дефинираат како структури со повеќе ќелии со иста геометрија, но различна големина, распоредени низ структурата формирајќи го волуменот. Геометриската нелинеарност овозможува флексибилност во движењето, но и во цврстината на материјалот.
Фокусот на ова истражување е предлогот на нова методологија за дизајн за адитивно производство (АП) на нелинеарна структура со ќелии со голем степен на флексибилност. Примената на флексибилноста е преку обвивки коишто се приспособуваат на слободните органски геометрии, или пак за 2D-форми кои се трансформираат во 3D-форми.
Моделирањето на структурата е направено со CAD – софтверски пакет, а за изработката е користено адитивно производство. Овие технологии го градат делот со додавање на материјал во слоеви што овозможува изработка на делови со комплексна геометрија. Начинот на работа на процесите од АП е сосема спротивен на оној на кој работат процесите од традиционалното производство, што условува целосна промена на дизајн-процесот. Овие измени се применети во методологија што ја предлагаме со ова истражување. Методологијата се користи за развивање на систематски пристап во дизајнирањето што ја поддржува изработката на уникатни структури со АП.
1. ВОВЕД
Нелинераните структури со ќелии се карактеристични за природните, органски структури. Нелинеарните структури со ќелии се дефинираат како структури со повеќе ќелии со иста геометрија, но различна големина, распоредени низ структурата формирајќи го волуменот [1]. Геометриската нелинеарност овозможува флексибилност во движењето, но исто и во цврстината на материјалот. Природата има свои начини на распоредување на ќелиите со цел да се овозможaт оптимални перформанси, независно дали тоа е минимизиарање на материјал или постигнување на предефинирана функционалност. Креирањето на структура со ќелии е предизвик за традиционалното производство, но напредоците во АП го прават тоа изводливо.
АП се карактеризира со специфичен начин на кој се изработуваат деловите, кој е целосно спротивeн на традиционалното производство (обработки со нумерички управувани машини, стругање, глодање). АП е термин кој се користи за група на процеси каде што делот се гради со додавање на материјал во слоеви [2, 3]. Сите процеси од АП работат на ист начин, користејќи само различен материјал за градење на делот и негово спојување (лепење). Во своите почетоци, АП има доста лимитирани можности и се користи примарно за изработка на прототипови [4], така што посоодветен термин би бил терминот „изработка на брзи прототипови“. Напредокот на повеќе полиња како инженерски достигнувања, значајни подобрувања во технологијата и материјалот овозможија овие процеси да се користат за изработка на крајни производи, со што посоодветен за користење станува терминот адитивно производство [5].
Специфичните карактеристики на АП отвораат нови можности за: прилагодување, персонализација и подобрување на деловите, мултифункционалност и пред сѐ намалување на трошоците за изработка. Овие уникатни карактеристики [6], може да се поделат во следниве категории, но секако не се ограничени на нив:
- Комплексност во обликот: неограничен број на можности за изработка на речиси секаков облик;
- Комплексност во хиерархијата: структури со различна хиерархија и димензии од микроструктури, мезоструктури до макро структури (на ниво на дел);
- Комплексност во материјалот: материјалот може да се менува во одреден момент или во одреден слој на делот;
- Комплексност во функцијата: изработка на целосно функционални склопови и механизми.
Процесите на АП им овозможуваат на дизајнерите целосно искористување на нивната креативност и изработка на делови со многу сложена геометрија. Деловите коишто до сега не можеле да се изработат со традиционалните технологии, сега можат да се изработат без проблем со АП. Можностите на процесите на АП навидум се неограничени, но сепак постојат одредени ограничувања. Едно од најголемите ограничувања е тоа што овие процеси условуваат целосна промена на процесот на дизајнирање.
Дизајнирањето за АП бараат нивно познавање и искуство во работењето со процесите на АП. Во процесот на изработка не се користат алати, но затоа има потпорен материјал. Геометриските толеранции се разликуваат за секој процес од АП, но има и разлики од машина до машина. Механичките карактеристики на делот се под влијание, не само на материјалот кој се користи туку и изборот на процесните параметри. Од изложеното, станува евидентно дека установените знаења за дизајнот, алатите, правилата, процесите и методологии дефинирани со „дизајнот за производство и монтажа“ (design for manufacture and assembly – DFMA), не важат за АП. Токму поради тоа, креирањето на методологија за дизајн за АП стана предуслов за користење на овие процеси [6].
Со овој труд, ние предлагаме методологија за примена на дизајнот за АП за дизајн и изработка на нелинеарна структура со ќелии со висок степен на флексибилност. Потенцијалната флексибилност би се користела во обвивки коишто се приспособуваат на слободните органски геометрии. Дополнително на овој начин би се овозможила изработка на 2D-структури коишто по изработката се претвораат во структурални 3D-облици.
За моделирањето на обликот користен е CAD софтверски пакет, додека финалниот прототип е изработен со процес на АП. Со овие процеси, можна е изработка на комплексни органски облици, што се должи пред сѐ на нивниот начин на работа во слоеви. Поради тоа и се првиот избор кога станува збор за изработка на делови инспирирани од природата, како структурите со ќелии.
2. НАЧИН НА РАБОТА НА ДИЗАЈН ЗА АП
Методологијата на дизајн за АП треба да се користи за секој процес на дизајнирање кои резултира со изработка на делот со некој од процесите на АП. Росен (Rosen) [7] е еден од првите автори кој предлага методологија за дизајн за АП што го зема предвид целиот процес, од идеја до реализација. Dong et al. [8] предлагаат методологија за дизајн за АП за изработка на мрежести структури (lattice structure). Khurana et al. [9] го користат пристапот за дизајн за АП за флексибилен механизам со ќелии. Процесите на АП се предмет на разработка за примена во функционално подобрување на никел титаниумови легури за помнење на облик со примена на оптимизација на обликот се предмет на разработка на [10]. Додека, можноста за апсорпција на енергија на функционално подобрени флексибилни механизми со ќелии е разработена во трудот [11].
Методологијата за дизајн за АП, која ја предлагаме ние со овој труд е комбинација на анализираната литература, лично искуство и специфичните барања од страна на предложената структура (слика 1). Фазата на тестирање е поставена на дното на процесот, бидејќи комерцијално достапните софтверски пакети не овозможуваат спроведување на ваква анализа на флексибилен систем во виртуелна средина.
Карактеристиките на добра методологија за дизајн за АП е земање предвид на ограничувањата во изработката со АП уште во почетните фази на дизајнирањето. На тој начин, крајниот производ ќе биде успешно дизајниран, искористувајќи ги предностите коишто ги нудат овие процеси. Токму поради тоа, во методологијата што ние ја предлагаме, првите влезни информации во процесот се дизајнерските барања и ограничувањата на процесите за АП. Дизајнерските барања во прва мерка се однесуваат на функционалноста на структурата, но исто така и на физичкиот изглед. Тие се од големо значење за крајниот резултат и треба да се дефинираат според ограничувањата на процесите за АП. Ограничувањата кои ги имаат процесите за АП се: анизотропност на материјалот на изработениот дел, квалитет на изработената површина и потребата од потпорен материјал. Во оваа фаза треба да се направи компромис помеѓу можностите и ограничувањата на процесите за АП, коишто треба да се искористат во дизајнот на структурата.
Сите овие барања, можности и ограничувања се земени во предвид при дизајнирањето на обликот на структурата, како иницијалната 2D, така и крајната 3D. Моделот е креиран параметарски користејќи соодветен CAD софтверски пакет. Параметарскиот модел овозможува едноставни и брзи измени во обликот, што е корисно во фазата на истражување на финалниот облик или пак различните опции. Финалниот модел се експортира како STL-датотека. STL-датотеката претставува најкорстен формат на датотека достапен во речиси сите програмски пакети за моделирање, а прифатлив од сите програмски пакети што се користат за раслојување на моделот коешто е неопходно за негова изработка со АП. При раслојувањето на моделот се дефинираат и процесните параметри коишто заедно со слоевите како информација се впишуваат во G- кодот што се користи за изработка на делот. Оваа фаза во методологијата прикажана на слика 1, е претставена како фаза на подготовка за изработка со АП (AM preparation). Со префрлањето на G-кодот на машината, настапува фазата на изработка (AM fabrication) прикажана на слика 1.
Изработениот дел се тестира по повеќе параметри, како би се проверило дали ги задоволува сите претходно поставени барања како функционални, така и естетски. Првиот чекор е визуелна анализа, за проверка на крупни недостатоци (неизработени елементи, оштетени елементи, груба површина, набирање на материјалот). Следен чекор е испитување на функционалноста на делот, каде што се проверуваат сите спојки и зглобови дали се однесуваат соодветно. Во овој дел, се тестира и да се види дали делот соодветно ги извршува одредените задачи што ќе му бидат дадени, како: фиксирање во одредена положба, носење на товар, итн. Доколку тестирањето заврши со позитивна оценка, делот може да се користи. Доколку резултатот од тестирањето е негативен, делот се отстранува од употреба и се враќа во фазата на моделирање, или на подготовка, зависно од недостатоците кои се покажани.
[текст во два дела]
____________
АВОТРКИ:
Јелена Џокиќ, Јована Јованова
Универзитет „Св.Кирил и Методиј“ во Скопје,
Машински факултет – Скопје
_____________
РЕФЕРЕНЦИ:
[1] Thompson, M.K., Moroni, G., Vaneker, T., Fadel, G., Campbell, R.I., Gibson, I., Bernard, A., Schulz, J., Graf, P., Ahuja, B. and Martina, F., 2016. Design for Additive Manufacturing: Trends, opportunities, considerations, and constraints. CIRP annals, 65(2), pp.737-760. [2] Djokikj J., T.Kandikjan T. 2018. Sustainability aspects of additive manufacturing. GREDIT 2018, 22-24.3.2018. Skopje, Macedonia [3] Gebhardt, A., 2012. Understanding Additive Manufacturing – Rapid prototyping – Rapid Tooling – Rapid Manufacturing. Carl Hanser, München. [4] Kruth, J.P., Leu, M.C. and Nakagawa, T., 1998. Progress in additive manufacturing and rapid prototyping. CIRP Annals-Manufacturing Technology, 47(2), pp.525-540. [5] Micevska, J., Kandikjan, T., 2016. Personalization in Design through New Technological Achievements. South East European Journal of Architecture and Design, 2016, 1-5. http://dx.doi.org/10.3889/seejad.2016.10022 [6] Gibson, I., Rosen, D.W. and Stucker, B., 2015. Additive manufacturing technologies rapid prototyping to direct digital manufacturing. Springer Science+Business Media New York 2015, DOI 10.1007/978-1-4939-2113-3_1 [7] Rosen, D.W., 2007. Computer-aided design for additive manufacturing of cellular structures. Computer-Aided Design and Applications, 4(5), pp.585-594. [8] Dong, G., Tang, Y. and Zhao, Y.F., 2017. A survey of modeling of lattice structures fabricated by additive manufacturing. Journal of Mechanical Design, 139(10), p.100906. [9] Khurana, J., Hanks, B. and Frecker, M., 2018, August. Design for additive manufacturing of cellular compliant mechanism using thermal history feedback. In ASME 2018 International Design Engineering Technical Conferences and Computers and Information in Engineering Conference (pp. V02AT03A035-V02AT03A035). American Society of Mechanical Engineers. [10] Jovanova, J., Frecker, M., Hamilton, R.F. and Palmer, T.A., 2016, September. Target shape optimization of functionally graded shape memory alloy compliant mechanism. In ASME 2016 Conference on Smart Materials, Adaptive Structures and Intelligent Systems (pp. V002T03A006-V002T03A006). American Society of Mechanical Engineers. [11] Jovanova, J., Nastevska, A. and Frecker, M., 2018, September. Functionally Graded Cellular Contact-Aided Compliant Mechanism for Energy Absorption. In ASME 2018 Conference on Smart Materials, Adaptive Structures and Intelligent Systems (pp. V002T06A012-V002T06A012). American Society of Mechanical Engineers. [12] available at: https://www.chemistryworld.com/features/building-better-bones/1010212.article accessed at: 10.3.19 (SOURCE: © STEVE GSCHMEISSNER/SCIENCE PHOTO LIBRARY)
_____________