• Немате производи во кошничката.
TOP

ДИЗАЈН ЗА АДИТИВНО ПРОИЗВОДСТВО НА НЕЛИЕНЕАРНИ ФЛЕСКИБИЛНИ СТРУКТУРИ СО ЌЕЛИИ [2]


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.


Продолжение од напис бр. 1


2. ПРЕДЛОЖЕН ДИЗАЈН

Целта на предложениот дизајн е креирање на флексибилна структура со ќелии во која се применуваат предностите на адитивното производство (АП). Од структурата се бара да ги задоволи следните барања:

  • флексибилност – способност за движење во различни положби;
  • нелинеарност – во однос на материјалот, што би се менувало зависно од оптоварувањата;
  • трансформација од 2D во 3D – способност за завземање на 3D облик од полетната рамна плоча;
  • само заклучување – способност за фиксирање на постигнатиот 3D облик;
  • естетска допадливост – за можна примена во области каде што изгледот има значење.

Паралелно со барањата треба да се земат во предвид и аспектите на модуларност и адаптибилност од кои појде концептот.

Главната инспирација во однос на функционалноста и изгледот е превземена од природата, поточно структурата на коските на човекот (сл. 2). Коските во човековото тело се исклучително цврсти но лесни, што во целост одговара со барањата кои што ги имаме ние за структурата. На слика 2 е прикажана структурата на човечка коска која ги задоволува и поставените барања за нелиенарност и естетска допадливост.


Слика 2. Слика од микроскоп на структура на човечка коска [12]



Почетната инспирација од структурата на коската е преработена и стилизирана што резултира со 3D моделот прикажана на слика 3. Како што може да се забележи
(сл. 3), основните елементи на структурата на коската се задржани, но со зголем волумен на секоја од ќелиите.

Почетниот дизајн за структурата како 3D модел е креиран параметарски во Rhinoceros и Grasshopper. Параметарски креираниот модел овозможува брзи измени на геометријата на моделот, а со тоа и неговиот волумен, искористениот материјал и целокупниот впечаток. Моделот е дизајниран на начин што ќе овозможи негова адаптација за различни примени.


Слика 3. Почетен дизајн за структурата


Анализиран, почетниот дизајн има високо ниво на естетска вредност, но не ги задоволува сите претходно дефинирани барања. Едно од нив е самозаклучувањето, кое е важна карактеристика бидејќи обезбедува цврстина на структурата потребна за извршување на различни функции. Без можноста за самозаклучување моделот би можел лесно да се расклопи или растури при поставување на товар. Ова секако се однесува во услови кога постои трансформација на обликот од 2D во 3D, што во почетниот дизајн не е случај. Новиот подобрен дизајн кој ги исполнува сите дизајнерски барања е прикажан на слика 4.


Слика 4



Крајниот дизајн на структурата е креиран во софтверскиот пакет SolidWorks. CAD моделот е креиран параметарски, така што се овозможува модификација на формата и димензијата на отворите, како и позиционираноста на ќелиите и нивниот број во структурата. Секоја ќелија е дизајнирана како различен дел, а меѓусебното поврзување е направено со конектори овозможувајќи голем број на комбинации. Ќелиите се со квадратен облик со исти димензии  (40x40x4 mm), со различна димензија и облик на отвор. На слика 5 се прикажани различните типови на ќелии кои се користат во стуктурата. Две од ќелиите, А и Д се користат за системот на самозаклучување и тие се со фиксен облик на отворот односно на испакнувањето, соодветно. Додека останатите ќелии можат да имаат и променлив облик на отворот.




Обликот на ќелиите и начлитнот на спојување овозможуваат бројни комбинации. На слика 6 се прикажани некои од начините на комбинирање на ќелиите. На левиот пример (сл. 6) прикажан е пример со 2 ќелии и конектор помеѓу нив. На примерот во средина (сл.6) прикажан е пример на 7 ќелии поврзани меѓусебно со конектори, кои кога ќе се склопат формираат кутија. На десниот пример (сл. 6) прикажана е покомплексна структура составена од 11 ќелии која може да се склопи на повеќе начини.




Предложениот дизајн во целост одговара на поставените дизајнерските барања.
Флексибилноста може да се анализира на два начина. Првиот начин е флексибилноста во распоредот на поставување на ќелиите. Распоредот на ќелиите може да се менува бидејќи тие се со ист облик и димензии и поврзувањето е на истиот начин. Вториот начин на флексибилност е во можноста за креирање на различни облици при затворање на структурата. Оваа флексибилност е овозможена од начинот на кој е креирана структурата, но и флексибилниот материјал кој е користен за изработка. Дополнително, помеѓу одредени ќелии може да се пропушти поставување на конектори како би се зголемила флексибилноста.
Нелинеарноста е очигледна, бидејќи ќелиите имаат отвори со различен облика, а и нивниот распоред може да се разликува од структура до структура. Трансформацијата од 2D до 3D е овозможена со начинот на моделирање, но во исто време и со материјалот од кој е изработен и начинот на изработка.
Системот на самозаклучување претставува фиксирање на 3D обликот во одредена положба, а се постигнува со преклопувањето на ќелиите A и D.
Естетската допадливост е субјективен квалитет, но примената на природата како инспирација потсвесно создава чувство на блискост и поврзаност со поголемиот дел од популацијата. Дополнително, начинот на кој се дизајнирани ќелиите создава дополнителен степен на адаптибилност и модуларност, што ја прави структурата соодветна за различни примени. Со менување на распоредот на ќелиите се задоволуваат барањата за оптимизирање на материјал и тежина.


4. РЕЗУЛТАТИ И ДИСКУСИЈА

Делот (структурата) е изработен со Creality Ender 3, користејќи го софтверскиот пакет Ultimaker’s Cura за раслојување и подготовка за изработка. Во Табела 1 се претставени работните параметри на машината.


МатеријалFlexfill 98A “Traffic Black” на Fillamentum
Дебелина на слој0,2 mm
Процент на исполнување20%
Температура225 °C
Температура на работната површина60 °C
Тип на подлогаСтакло

Табела 1. Работни параметри


 
На Слика 7 е прикажан процесот на изработка во различни временски рамки. На левата фотографија е прикажан почетокот на процесот, со процент на исполнување од 100%. На средната фотографија може да се види начинот на исполнување со материјал. Со начинот и процентот на исполнување може да се оптимизира времето на изработка и искористениот материјал. На десната фотографија е прикажан процесот во последните минути, со целосно исполнување со материјал од 100%.





Изработката на структурата со 11 ќелии трае 6 часа. Површинската изработка е со сосема задоволителен квалитет, особено долната површина, поради изработката на стакло. На слика 8 е прикажана изработената структура со 11 ќелии.




На слика 9 се прикажани различни начини на поврзување на ќелиите. Целиот модел е изработен од флексибилен материјал, но дизајнот на структурата го ограничува дижењето само на конекторите. Креирањето на различни 3Д облици е овозможено со различните начини на поврзување и самозаклучувае на елементите.




Изработката на овие структури претставуваше предизвик. Еден од нив е немањето на искуство на авторите во работењето со флексибилен материјал. Друг предизвик беше работата со “entry level” опрема и ограничен буџет. Но секако најголемиот предизвик беше немањето на можност за тестирање на сето ова во CAD околина.
Првиот предизивик беше надминат доста брзо и едноставно, со изработка на неколку помали структури и пробни парчиња. Од голема помош е и отвореноста на луѓето корисници на АП, кои излегуваат во пресрет секогаш.
Опремата иако категоризирана како “entry level” се покажа сосема солидна и резултатот беше повеќе од задоволителен. Но сепак соочени бевме со работна површина која не е целосно рамна со рачно нивелирање и со релативно мали димензии и еден екструдер. Проблемот со нерамната површина го решивме со замена на стандардната плоча со стаклена плоча. Во процесот на работа го усовршивме рачното нивелирање. Релативно малите димензии на работната површина 235×235 mm се непроменливи и тие влијаат на максималниот број ќелии кои можат да се изработат односно на максималните димензии на структурата. Дизајнот на структурата е наменет за изработка со машина со два екструдера, со тоа што ќелиите би биле изработени од ABS или PLA, а конекторите од флексибилен материјал. Но поради околностите, дизајнот е малку променет како и процесните параметри, со што ќелиите би наликувале на цврста пластика, а конекторите би биле флексибилни (сл. 9).
Не постоењето на соодветен CAD софтвер во голема мерка го усложнува работењето, што најмногу се одразува на продолженото време на целиот процес. Во конкретниот пример опцијата за трансформација од 2D во 3D не беше можна да се тестира во виртуелна средина и мораше да се пробува со изработени парчиња, што значи дека по секоја измена на дизајнот мораше да се изработат пробни парчиња.
Секако примената на меторологијата за дизајн за АП во голема мерка помогна во надминувањето на проблемите во дизајн процесот и процесот на изработка.


5. МОЖНА ПРИМЕНА

 Предложената структура има голем број на можности за апликација. Како што е прикажано во претходниот пасус не постои ограничување во начинот на комбинирање на ќелиите и нивно поврзување, а со тоа и резултатот.

При развојот на структурата ние размислувавме за примена во пакување. Идејата за примена во пакувањето доаѓа од нејзината флексибилност со што се обезбедува потпора и поддршка на производите при транспорт. Но флексибилноста овозможува лесно менување на обликот, што би значело можност за дополнителна примена. Поради тоа дојдовме на идеја за нејзино користење по распакувањето на производот, некој вид на втор живот (сл. 10).

Со овој пристап се отвара поглавјето на одржливоста на производите. Со реупотреба на опаковката на полначот во држач за мобилен телефон, се намалува отпадот, а дополнително се спречува потребата за дополнителен производ.




6. ЗАКЛУЧОК И ИДНИ ИСТРАЖУВАЊА

Презентираната методологија за дизајн за АП бара висок степен на поврзаност помеѓу фазите во дизајн процесот. Дизајнерот треба да биде креативен и иновативен, но во исто време да ги познава ограничувањата за работа со АП. За понатамошните истражувања може да се размисли оптимизација и автоаматизација на некои од фазите.

Модуларниот принцип применет во дизајнот на структурата им овозможува на дизајнерите да користат една ќелија која ќе ја мултиплицираат низ структурата на различни начини. Едноставниот дизајн на структурата заедно со геометриската нелинеарност резултираат со комплексни облици кои можат да имаат најразлична примена. Прикажаната структура е успешен пример за примена на АП за дизајн и изработка на флексибилни структури со ќелии.

За следните истражувања планирана е примена на различни материјали при изработката на структурата. Ќелиите да се изработат со PLA а конекторите да останат со флексибилен материјал. Целта е да се види дали има разлика во јакоста но и носивоста на склопена структура. Доколку тоа истражување има позитивен резултат како што очекуваме, материјалот PLA може да се менува со најразлични материјали што би допринело поголем број на области на примена.

[текст во два дела]

____________
АВОТРКИ:

Јелена Џокиќ
Универзитет „Св.Кирил и Методиј“ во Скопје,
Машински факултет – Скопје

Јована Јованова
Delft University of Technology

_____________
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).

Јелена Џокиќ е доктор по технички науки од областа на машинството. Работи во областа на индустрискиот дизајн и адитивното производство. Учесник е на домашни и меѓународни изложби од областа. 0д 2011 година е вклучена во наставниот процес на Машинскиот факултет како асистент на предметите кои ги покрива Институтот за Машински конструкции, механизациони машини и возила.

ПОВЕЌЕ ОД АВТОРОТ