Σχεδιασμός Πρωτοτύπων με βάση τους κανόνες του Additive Manufacturing

additive manufacturing

Η τεχνολογία της προσθετικής μηχανικής δημιουργεί πολλαπλά οφέλη που σχετίζονται με την ανώτερη ποιότητα του τελικού προϊόντος, τη μείωση του χρόνου κατασκευής και του κόστους κατασκευής.

Ωστόσο, στο στάδιο του σχεδιασμού των προϊόντων ή εξαρτημάτων σας, θα πρέπει να λάβετε υπόψη ορισμένες ιδιαιτερότητες της τεχνολογίας αυτής, ώστε να ωφεληθείτε στο μέγιστο δυνατό βαθμό.

Η προσθετική κατασκευή (additive manufacturing) παρουσιάζει έντονο ενδιαφέρον τα τελευταία χρόνια που δύσκολα μπορούμε να παραβλέψουμε. Είτε βλέπετε την προσθετική κατασκευή ως απειλή για τις συμβατικές τεχνολογίες είτε ως σύμμαχο (ελπίζουμε να τη βλέπετε ως σύμμαχο!), αυτό που είναι βέβαιο, είναι ότι ήρθε για να μείνει.

Η προσθετική κατασκευή με χρήση κραμάτων μεταλλικής σκόνης, είναι μια από τις πολλές τεχνολογίες προσθετικής κατασκευής που έχουν προσελκύσει και συνεχίζει να προσελκύει εκθετικό ενδιαφέρον. Σήμερα, παρότι η έρευνα δεν σταματά ποτέ, βρίσκει ήδη εφαρμογή στην κατασκευή εξαρτημάτων με μεγάλες λειτουργικές απαιτήσεις και αντικαθιστά σε πολλές περιπτώσεις τις συμβατικές μεθόδους κατασκευής. Δεν είναι πλέον μόνο μια τεχνολογία πρωτοτύπου. Η προσθετική κατασκευή χρησιμοποιείται τώρα και για τη μαζική παραγωγή εξαρτημάτων για τις πιο απαιτητικές εφαρμογές.

Σε σύγκριση με τις πιο παραδοσιακές μεθόδους κατασκευής όπως η υπεργολαβική, προσφέρει πολλά οφέλη στον σχεδιαστή. Αφενός είναι ιδανική για τη δημιουργία πολύ σύνθετων γεωμετριών τα οποία θα ήταν δύσκολο ή και αδύνατο να δημιουργηθούν με οποιονδήποτε άλλο τρόπο. Ένα πολύ καλό παράδειγμα είναι τα σύνθετα εσωτερικά κανάλια.

Ένα άλλο πλεονέκτημα είναι η δυνατότητα βελτιστοποίησης της γεωμετρίας των εξαρτημάτων πέρα από την ικανότητα οποιασδήποτε άλλης διαδικασίας κατασκευής. Οι τεχνικές μείωσης του βάρους ενός εξαρτήματος, όπως το μεταβαλλόμενο πάχος τοιχώματος και οι δομές πλέγματος είναι μερικά καλά παραδείγματα.

Ενώ τα εξαρτήματα που παράγονται με μεταλλική προσθετική κατασκευή δεν χρειάζεται να τηρούν τους συμβατικούς κανόνες σχεδιασμού, η διαδικασία έχει τους δικούς της περιορισμούς. Οι περιορισμοί αυτοί σχετίζονται με τις υποστηρικτικές δομές που χρησιμοποιούνται κατά την κατασκευή, τον προσανατολισμό και τοποθέτηση του αντικειμένου προς κατασκευή στο μηχάνημα, τις ιδιότητες των υλικών που χρησιμοποιούνται και άλλα.

Στη συνέχεια παρουσιάζονται μερικοί από αυτούς τους περιορισμούς που πρέπει να γνωρίζετε και πώς να ενσωματώσετε το σχεδιασμό των εξαρτημάτων σας έτσι ώστε να βελτιστοποιήσετε την ποιότητα του παραγόμενου αντικειμένου, να μειώσετε τα στάδια και τους χρόνους κατασκευής και συνεπώς και το κόστος τους.

 

Αντοχή εξαρτήματος (αναλογία 8:1)

Παρόλο που οι επιδράσεις των δυνάμεων που ασκούνται από το ρολό επίστρωσης σκόνης ελαχιστοποιούνται επιλέγοντας την καλύτερη θέση και τον προσανατολισμό του κομματιού στην πλατφόρμα κατασκευής, κάθε αντικείμενο σχεδιασμένο για προσθετική κατασκευή από μεταλλικά κράματα θα πρέπει να είναι εγγενώς άκαμπτο έτσι ώστε να επιτρέπει μια σταθερή και αξιόπιστη διαδικασία οικοδόμησης.

Καθώς το αντικείμενο χτίζεται, οι δυνάμεις που ασκούνται σε αυτό από το ρολό επίστρωσης γίνονται μεγαλύτερες. Ένας καλός κανόνας για να διασφαλιστεί ένα σταθερό αντικείμενο, είναι να εξασφαλιστεί ότι η αναλογία μεταξύ της τομής και του ύψους δεν είναι μεγαλύτερη από 8: 1, όπως φαίνεται στην εικόνα 1a. Εάν ένα εξάρτημα υπερβαίνει αυτή την αναλογία, υπάρχει υψηλός κίνδυνος οι δυνάμεις από το ρολό επίστρωσης να κάμψουν το αντικείμενο (δείτε εικόνα 1b).

Αυτό το πρόβλημα αποτρέπεται καλύτερα με την ένωση τμημάτων του αντικειμένου έτσι ώστε να δημιουργηθεί μια πιο άκαμπτη δομή, όπως για παράδειγμα αναπαρίσταται στην εικόνα 1c.

 

additive manufacturing άκαμπτη δομήΕικόνα 1a, 1b, 1c

 

Το αντικείμενο θα πρέπει να έχει καλή ακαμψία σε όλα τα στάδια της κατασκευής. Ενώ το κομμάτι της εικόνας 2a θα είναι ισχυρό όταν ολοκληρωθεί, καθώς η κατασκευή προσεγγίζει την κορυφή θα είναι πολύ αδύναμο. Μια απλή δομή στη μέση όπως αυτή της εικόνας 2b θα βοηθήσει στη συγκράτηση του καθώς χτίζεται. Ωστόσο, αξίζει συχνά να εξετάσετε πώς θα μπορούσατε να επανασχεδιάσετε ένα αντικείμενο ή στοιχείο του ώστε να αποφύγετε τυχόν αδύναμες περιοχές. Το σχέδιο της εικόνας 2c είναι τόσο άκαμπτο όσο και ελαφρύ.

 

 additive manufacturing άκαμπτο ελαφρύ αντικείμενο

Εικόνα 2a, 2b, 2c

 

Υποστηρικτικές Δομές

Αν και θεωρητικά στην τεχνολογία μεταλλικής προσθετικής κατασκευής DMLS δεν είναι απαραίτητες οι υποστηρικτικές δομές, παρόλα αυτά για να εξασφαλίσουμε καλύτερα αποτελέσματα στο τελικό προϊόν η χρήση τους είναι αναγκαίο κακό. Ενώ η προσθήκη υποστηρικτικών δομών αυξάνει τόσο το χρόνο κατασκευής όσο και το χρόνο επεξεργασίας του παραγόμενου αντικειμένου, ο καλός σχεδιασμός μπορεί να συμβάλλει στην ελαχιστοποίηση της απαίτησης για υποστηρικτικές δομές και να προσφέρει πολλά πλεονεκτήματα:

Κεκλιμένες Επιφάνειες:

Η σκόνη στο θάλαμο κατασκευής δεν προσφέρει επαρκή στήριξη στο κομμάτι που χτίζεται. Επομένως, οι επιφάνειες με κλίση πρέπει να μπορούν να στηρίζονται μόνες τους.

Οι ελάχιστες γωνίες που είναι «αυτοστηριζόμενες» για τους ανοξείδωτους χάλυβες, το Inconel, το τιτάνιο, το αλουμίνιο και κράματα χρωμίου κοβαλτίου, είναι περίπου 30°, 55°, 30°, 45° και 30° αντίστοιχα.

 

ελάχιστες γωνίες στην προσθετική κατασκευή 

 Εάν η γωνία είναι πολύ οξεία, η επιφάνεια θα απαιτήσει δομές στήριξης η οποίες θα πρέπει να αφαιρεθούν μετά την κατασκευή. Όπου είναι δυνατόν, ο στόχος πρέπει να είναι η αποφυγή οποιωνδήποτε επιφανειών όπως αυτές στην εικόνα.

 προσθετική κατασκευή δομές στήριξης

Εικόνα 3a, 3b

 

Cut-Outs

Αντίστοιχα με τις πολύ οξείες κεκλιμένες επιφάνειες, έτσι και μια γεωμετρία που διαθέτει μια επιφάνεια που κοιτάζει προς τα κάτω (δηλαδή η γωνία είναι 0°), θα απαιτήσει μια υποστηρικτική δομή η οποία θα πρέπει να αφαιρεθεί κατόπιν κατασκευής.

 

προσθετική κατασκευή υποστηρικτική δομήΕικόνα 4

Μια επιλογή είναι να αφαιρέσετε εντελώς το στοιχείο αυτό και να δημιουργήσετε ένα στερεό τμήμα αντί αυτού. Αυτή η λεπτομέρεια μπορεί να κατασκευαστεί στη συνέχεια με συμβατικές μεθόδους. Αυτή η επιλογή προσθέτει χρόνο κατασκευής, κόστος υλικού και κόστος μηχανουργικής επεξεργασίας.

 

προσθετική κατασκευή στερεό τμήμαΕικόνα 5

Μια μετατοπισμένη υποστηρικτική δομή όπως αυτή της παρακάτω εικόνας, σας επιτρέπει να ενσωματώσετε το επιθυμητό στοιχείο στο κομμάτι, εξαλείφοντας την ανάγκη για μηχανουργική κατεργασία. Ωστόσο, η δομή στήριξης θα πρέπει παρόλα αυτά να αφαιρεθεί κατόπιν κατασκευής (συνήθως με το χέρι).

 

προσθετική κατασκευή μετατοπισμένη υποστηρικτική δομήΕικόνα 6

Υπάρχει συχνά ένας προσανατολισμός κατασκευής για ένα κομμάτι ο οποίος μπορεί να εξαλείψει πολλά cut-outs και ως εκ τούτου και την απαίτηση για στήριξη. Σε αυτό το παράδειγμα αυτό επιτυγχάνεται με περιστροφή του κομματιού κατά 45°.

 

προσανατολισμός κατασκευής προσθετικήΕικόνα 7

Επιπλέον, κατά τη δημιουργία εσωτερικών cut-outs μπορεί να είναι χρήσιμο να σκεφτείτε πώς αυτά θα υποστηριχθούν. Σε αυτό το παράδειγμα μεταβάλλοντας το προφίλ της κορυφής σε μια σειρά από "V" τα απαιτούμενα στηρίγματα μειώνονται σε μια σειρά από στήλες.

 

προσθετική κατασκευή μείωση απαιτούμενων στηριγμάτων
Εικόνα 8

Τέλος, είναι χρήσιμη και η αξιολόγηση του σκοπού που έχει το cut-out. Εάν πρόκειται απλώς για μείωση του βάρους του εξαρτήματος, μπορείτε να λάβετε υπόψιν τη δημιουργία μιας δομής που προσφέρει αντίστοιχη απόδοση και ταυτόχρονα είναι αυτοστηριζόμενη.

 

προσθετική κατασκευή δομή για μείωση βάρους εξαρτήματοςΕικόνα 9

 

Προεξοχές – Overhangs

Οι οριζόντιες προεξέχουσες επιφάνειες παρουσιάζουν την ίδια πρόκληση όπως οι επιφάνειες που βλέπουν προς τα κάτω στα cut-outs.
Αυτές οι επιφάνειες μπορούν να υποστηριχθούν κατευθείαν προς την πλατφόρμα οικοδόμησης, ωστόσο αυτό θα αυξήσει δραματικά το κόστος του υλικού, χρόνο κατασκευής και χρόνο επεξεργασίας.

 

οριζόντιες προεξέχουσες επιφάνειες προσθετική κατασκευή
Εικόνα 10

 

Μια υπό γωνία υποστηρικτική δομή όπως αυτή της παρακάτω εικόνας είναι καλύτερη λύση, καθώς είναι πιο γρήγορη κατασκευαστικά και πιο εύκολη η αφαίρεση της.

 

υπό γωνία υποστηρικτική δομή additive manufacturing
Εικόνα 11

Παρόλ' αυτά, η καλύτερη λύση είναι να κάνετε τη στήριξη της επιφάνειας μέρος της τελικής γεωμετρίας, εξαλείφοντας την ανάγκη για οποιαδήποτε πρόσθετη εργασία.

 

Οπές

Μικρές οπές με μέγιστη διάμετρο 6 mm μπορούν να ενσωματωθούν στη γεωμετρία χωρίς την απαίτηση για δομή στήριξης. Οι οπές μεγαλύτερες από 6 mm θα έχουν μια πολύ τραχιά και χαμηλής πυκνότητας επιφάνεια στην κορυφή, η οποία μπορεί να απαιτεί επεξεργασία κατόπιν κατασκευής.

Η προσθήκη δομής υποστήριξης σε μεγαλύτερες οπές θα βοηθήσει στη βελτίωση της στρογγυλότητας και της μικροδομής των προς τα κάτω επιφανειών. Θα αποτρέψει επίσης την πιθανότητα η οπή να καταρρεύσει ή να παραμορφωθεί. Μια οπή σε σχήμα δακρύου είναι πολύ αποτελεσματική, καθώς δεν απαιτεί καθόλου υποστήριξη αλλά μπορεί να προσφέρει τα ίδια πλεονεκτήματα μείωσης υλικού.

 

οπή σε σχήμα δακρύου additive manufacturing
Εικόνα 12a, 12b, 12c, 13d

 

Εφέ σκαλοπατιού - Stepping Effect

Το αποτέλεσμα της κατασκευής ενός τρισδιάστατου αντικειμένου μέσω της εναπόθεσης στρωμάτων υλικού το ένα πάνω στο άλλο είναι εμφανές στο τελικό κομμάτι.

Η ανάλυση του αντικειμένου στον κάθετο άξονα (z) καθορίζεται από το πάχος στρώματος που έχετε επιλέξει. Μικρότερο πάχος στρώματος θα χρειαστεί περισσότερο χρόνο κατασκευής, αλλά παράγει καλύτερη ανάλυση με λιγότερο ορατά σκαλοπάτια. Αντίστοιχα, ένα παχύτερο στρώμα θα δημιουργήσει ένα εξάρτημα χαμηλότερης ανάλυσης πιο ορατό το εφέ σκαλοπατιού, αλλά θα επιταχύνει σημαντικά τον χρόνο κατασκευής.

Ωστόσο, η ορατότητα των σκαλοπατιών δεν επηρεάζεται μόνο από το πάχος στρώματος αλλά και από τη γεωμετρία του εξαρτήματος. Έτσι, αβαθείς επιφάνειες κάτω από 20° θα δείξουν τα σκαλοπάτια πιο δραματικά, όπως γίνεται κατανοητό και από την εικόνα. Για το λόγο αυτό, όπου είναι δυνατόν θα πρέπει να αποφεύγετε τέτοιες επιφάνειες κατά το σχεδιασμό ενός εξαρτήματος, ειδικά όταν οι αισθητικές απαιτήσεις είναι μεγάλες.

 

προσθετική κατασκευή εναπόθεση στρωμάτων υλικούΕικόνα 13

 

Πάχος τοιχώματος

Είναι καλύτερο να αποφύγετε τα παχιά τοιχώματα, ειδικά στο επίπεδο xy. Η θερμότητα που αναπτύσσεται από τη δημιουργία αυτών των τομών μπορεί να έχει αρνητική επίδραση στη γεωμετρία του εξαρτήματος, καθώς και να προκαλέσει ανομοιογενή συρρίκνωση, η οποία προκαλεί εσωτερικές καταπονήσεις μέσα στο κομμάτι.

Ο σχεδιασμός ενός στοιχείου υπό γωνία για την ελαχιστοποίηση της οριζόντιας τομής (xy) ανά πάσα στιγμή μπορεί να συμβάλει στη μείωση αυτών των επιπτώσεων.

Κατά προτίμηση, το πάχος των τοιχωμάτων μιας γεωμετρίας στο xy πρέπει να είναι σταθερό σε όλο το κομμάτι. Αυτό είναι πολύ σημαντικό, κυρίως όταν χρησιμοποιείτε τιτάνιο ως υλικό κατασκευής, όπου το πάχος τοιχώματος ιδανικά δεν πρέπει να υπερβαίνει τα 4mm.

Σαν γενικός κανόνας, το πάχος τοιχώματος πρέπει να είναι πάντα τουλάχιστον 0,5mm.

 

πάχος τοιχώματος additive manufacturing

Εικόνα 14

H περιστροφή ενός τμήματος για την ελαχιστοποίηση της οριζόντιας διατομής (xy) ανά πάσα στιγμή μπορεί να συμβάλει στη μείωση αυτών των επιπτώσεων.

 

additive manufacturing περιστροφή τμήματοςΕικόνα 15

 

Αιχμηρές ακμές

Είναι προτιμότερο να αποφεύγετε τις αιχμηρές ακμές καθώς δεν θα σχηματιστούν πλήρως και πιθανώς να προκαλέσουν προβλήματα καθώς το ρολό επίστρωσης σκόνης θα συγκρούεται με αυτές. Για την αποφυγή αυτού του προβλήματος, η εφαρμογή ενός ραδίου περίπου 0,5 mm είναι μια καλή πρακτική.

 

εφαρμογή ραδίου για αποφυγή αιχμηρών ακμώνΕικόνα 16

 

Αιχμηρές Γωνίες

Κατά τον ίδιο τρόπο όπως και στις ακμές, είναι καλύτερα να αποφύγετε αιχμηρές εσωτερικές γωνίες, όχι επειδή αυτές δεν είναι δυνατές κατασκευαστικά, αλλά διότι λειτουργούν ως σημεία καταπόνησης που μπορούν να οδηγήσουν σε ρωγμές στο παραγόμενο κομμάτι, ειδικά στο τιτάνιο. Η εφαρμογή ενός ελάχιστου ραδίου 0,5 mm είναι ο πιο αποτελεσματικός τρόπος για να αποφευχθεί αυτό.

εφαρμογή ραδίου για αποφυγή αιχμηρών γωνιώνΕικόνα 17

 

Αφαίρεση σκόνης

Όταν σχεδιάζετε σύνθετα εξαρτήματα με εσωτερικές κοιλότητες ή εσωτερικά κανάλια, είναι σημαντικό να εξετάσετε πώς θα αφαιρεθεί η μη πυροσυσσωματωμένη σκόνη. Προκειμένου να αφαιρεθεί η σκόνη από τις εσωτερικές κοιλότητες πρέπει να υπάρχει τουλάχιστον μια οπή διαμέτρου 1 mm, ιδανικά μεγαλύτερης.

additive manufacturing αφαίρεση σκόνης

Εικόνα 18

Επιπλέον, οι σύνθετοι εσωτερικοί δίαυλοι/κανάλια πρέπει να είναι ελεύθερης ροής, όπως φαίνεται στη εικόνα, για να επιτρέπουν την αποτελεσματική απομάκρυνση της σκόνης.

 

προσθετική μηχανική εσωτερικοί δίαυλοι
Εικόνα 19

 

REAL CASE

Η Hittech Group BV είναι μια ομάδα εταιρειών που παρέχουν – μεταξύ άλλων – υπηρεσίες χύτευσης και υπεργολαβίας. Η Hittech διέκρινε από νωρίς τα πλεονεκτήματα που προσφέρει η προσθετική κατασκευή και πλέον προσφέρει ένα πιο ολοκληρωμένο χαρτοφυλάκιο υπηρεσιών στους πελάτες της.

 

κιβώτιο για ηλεκτρονικά εξαρτήματα additive manufacturing

Εικόνα 20

Μεταξύ άλλων προϊόντων, παράγει και το προϊόν που παρουσιάζεται στην εικόνα, ένα κιβώτιο για ηλεκτρονικά εξαρτήματα που απαιτεί σύνθετα εσωτερικά κανάλια στα τοιχώματά του για την ψύξη αυτών των εξαρτημάτων.

Για να κατασκευαστούν τα σύνθετα εσωτερικά κανάλια ψύξης και άλλα χαρακτηριστικά του κιβωτίου χρησιμοποιώντας συμβατικές μεθόδους, υπήρχαν 38 στάδια στην αλυσίδα της διαδικασίας κατασκευής.

Mέσω της προσθετικής κατασκευής, η Hittech αναγνώρισε την ευκαιρία να αλλάξει τη μέθοδο παραγωγής του περιβλήματος προκειμένου να μειωθεί ο αριθμός των βημάτων στη διαδικασία και να βελτιωθεί η συνολική απόδοση παραγωγής.

παραγωγή περιβλήματος προσθετική μηχανικήΕικόνα 21

Το κιβώτιο επανασχεδιάστηκε για την προσθετική κατασκευή, εξαλείφοντας όλες τις τυφλές οπές και επιτρέποντας στο αντικείμενο να κατασκευασθεί από ένα κομμάτι, αντί για τρία από τα οποία αποτελούνταν αρχικά. 

εξάλειψη τυφλών οπών additive manufacturingΕικόνα 22

additive manufacturing μείωση κόστους κατασκευής

Εικόνα 23

Η παραγωγή του νέου κιβωτίου μέσω της προσθετικής κατασκευής οδήγησε σε μείωση του αριθμού των σταδίων παραγωγής από 38 σε 9.

Ο χρόνος παράδοσης μειώθηκε από 20 εβδομάδες σε 5 εβδομάδες.

Επιπλέον, το κόστος παραγωγής μειώθηκε σε ποσοστό μεγαλύτερο του 30%.

Ενώ η μεταλλική προσθετική κατασκευή απαλείφει μερικούς από τους σχεδιαστικούς περιορισμούς της υπεργολαβικής, έχει τα δικά της μειονεκτήματα που πρέπει να ληφθούν υπόψιν κατά τη διάρκεια του σχεδιασμού, έτσι ώστε να πετύχουμε οικονομία χρόνου κατεργασιών και κόστους κατασκευής.

Σε κάποιες περιπτώσεις η υπεργολαβική και προσθετική κατασκευή μπορούν να δουλέψουν συνεργατικά και να επωφεληθούν η μία από την άλλη για ακόμα καλύτερα αποτελέσματα, όπως για παράδειγμα, να πετύχουν μεγαλύτερες ανοχές, καλύτερη ποιότητα επιφάνειας και επομένως αποφυγή χειρωνακτικού φινιρίσματος.