Design of Supporting Elements Optimized for 3D Print

Jobin Josh

Master's thesis

Abstract:

Návrh podpůrných prvků optimalizovaných pro 3D tisk Diplomová práce se zabývá optimalizací podpůrných prvků pro 3D tisk. V blízké budoucnosti se očekává, že 3D tisk zcela předefinuje tradiční stavební inženýrství včetně nosných konstrukcí. .Výroba ocelových konstrukcí ve 3D tisku bude velkým přínosem z mnoha důvodů, jako je navrhování složitých tvarů, vysoká kvalita, přizpůsobení klientů a jeho nevýhoda, jsou při vytváření struktur drahé a je to náročné na čas. Navrhováním optimalizovaných struktury můžeme snížit náklady a časovou náročnost. Studie začíná stručným popisem 3D tisku, toho, jak 3D tiskárny fungují a nejběžnějšími typy 3D tiskáren. Hlavním cílem práce je navrhnout optimalizované nosné prvky z oceli porovnáním neprizmatických optimalizovaných profilů s prizmatickými optimalizovanými profily a zjistit, kolik energie je ušetřeno. Vybrané nosné prvky jsou nosníková, sloupová a napínací lana. používá se software. Optimalizace paprsku se provádí úspěšně, dva návrhy jsou provedeny 9 procent a 16 procent oceli jsou uloženy, zatímco porovnává non-prizmatický optimalizovaný profil s prizmatickým optimalizovaným profilem. Pro sloupec není optimalizace úspěšná, protože lze uložit jen velmi malé množství oceli a optimalizace je většinou založena na ručním výpočtu vzhledem k tomu, že je složité provádět nelineární výpočty ve strojírenství SCIA. V evropském kódu neexistuje zvláštní rovnice pro neprizmatický sloupec. Rovnice použitá v tomto výzkumu je z časopisu ocelových konstrukcí z univerzity Tshingua v Pekingu, kde měl výzkumník Deng odvozená rovnice k nalezení kritické síly trubkovitého ne prizmatického sloupce. Množství ušetřené oceli je 2,43 procenta a 3,13 procenta. Tloušťka stěny nemůže být příliš snížena kvůli selháním vzniklým při napětí a místním vzpěru, když přichází do třídy 3. Konstantní lana použitá v dolech, nové rovnice jsou odvozeny pro hmotnost a plochu prismaticky optimalizovaného lana a neprismaticky optimalizovaná lana.10,6,12,3,24,7 procenta oceli lze ušetřit z prismaticky optimalizovaných lan. Nejvhodnějšími podpůrnými prvky pro 3D tisk jsou nosníky a napínací lana, protože lze ušetřit velké množství oceli a při 3D tisku bude mít velké výhody méně surovin, takže je zapotřebí času a nákladů na výrobu prvků snížena.N Optimalizace sloupce, který vyžaduje uzavřenou formu rovnice, která je praktičtější a měla by splňovat všechny podmínky uvedené v eurokódu.

Abstract:

Design of supporting elements optimized for 3D print The theses addresses the optimization of supporting elements for 3D print.In the near future it is expected that 3D print will completely redefine the traditional civil engineering including the supporting structures.Steel is the one alloy that is prized in construction industry for its hardness and strength.Manufacturing steel structures in 3D print will be of great benefits due to many reasons like designing of complex shapes,great quality,customization of clients and its drawback are expensive in creating the structures and it is consuming a lot of time.By designing the optimized structures we can reduce the expenses and time consumption.The study begins with a brief description of 3D printing, how 3D printers work and he most common types of the 3D printers. The main aim of the thesis is to design of optimized steel supporting elements, by comparing the non-prismatic optimized sections to prismatic optimized section and finding how much amount of steel is saved.The supporting elements chosen are beam,column and tension ropes SCIA engineering software is used. The optimization of beam is done successfully two designs are done 9 percentage and 16 percentage steel are saved ,while comparing a non-prismatic optimized section with a prismatic optimized section. For the column the optimization is not successful as there is only a very small amount of steel can be saved,and the optimization are mostly based by hand calculation as its complicated to do non linear calculation in SCIA engineering.In Euro-code there is not a particular equation for the non-prismatic column the equation used in this research is from the journal of steel structures from Tshingua University Beijing where the researcher Deng had derived an equation to find the critical force of tubular non prismatic column.The amount of steel saved are 2.43 percentage and 3.13 percentage.The thickness of the wall cannot be reduced much due to the failures arise in stress and local buckling when it come in class 3. The constant ropes used in the mines, new equations are derived for the weight and area of the prismatic optimized rope and non prismatic optimized ropes.10.6,12.3,24.7 percentage of steel can be saved from prismatic optimized ropes. The most suitable supporting elements for 3D print are Beam and Tension ropes because there is good amount of steel can be saved and it will give great benefits in 3D print less raw materials are required so the time and expenses for the manufacture of the elements can be reduced.The optimization of the column which requires a closed form of an equation which is more practicable and should satisfy all the condition's in Euro code.

Keywords

Prismatická, neprismatická optimalizace, I sekce, Tenkostěnný kruhový řez, SCIA Engineering

Keywords

Prismatic, Non-prismatic Optimization, I sections, Thin walled circular section, SCIA Engineering

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 21. 5. 2020

Thesis defence

• Date of defence: 15. 6. 2020
• Supervisor: Tomáš Novotný
• Reader: Miroslav Rosmanit

VSB – Technical University of Ostrava

Fakulta stavební

Master programme / field:
Stavební inženýrství / Konstrukce staveb