Příspěvek k topologické optimalizaci součástí vyráběných aditivní technologií

Jakub Měsíček

Doctoral thesis

Contribution to Topological Optimization of Components Produced by Additive Technology

Abstract:

Tématem disertační práce je topologická optimalizace součástí vyráběných aditivní technologií. Tyto díly je obtížné vytisknout tak, aby bylo dosaženo rozměrových a tvarových charakteristik, které by zcela odpovídaly rozměrům CAD modelu. Z tohoto důvodu je nutno tisknout díly s určitými výztuhami a podporami, které se musí posléze odstranit. Při tisku mohou nastat problémy s odtrháváním dílu od podpor nebo základové desky a s kolizí nanášecí lišty s tištěným dílem. Disertační práce je zaměřená především na geometrii vyráběných součástí, jejich orientaci při tisku a dokončovací operace. Cílem práce je návrh postupu výroby topologicky optimalizovaných součástí vyráběných aditivní technologií metodou SLM, přičemž je nutné podrobně prozkoumat a určit nejvhodnější technologický postup návrhu a procesu výroby součástí. Pro dosažení cíle je provedena analýza současného stavu technologie výroby SLM – výčet dostupných materiálů, podrobný popis technologie SLM, nežádoucí jevy při 3D tisku atd. Analýza je provedena na základě odborných publikací, průzkumu trhu a veřejně dostupných informací v literární i webové podobě. Na základě průzkumu je sestavena tabulka dostupných softwarů pro topologickou optimalizaci. Dále je popsána predikce napětí v součástech vyrobených metodou SLM. Postup návrhu a výroby součástí je znázorněn vývojovým diagramem, který je rozdělen do tří hlavních částí. Metodika je ověřena na vahadle, jehož výsledek je následně porovnán s konvenčně vyrobeným dílem. Další ověření postupu návrhu proběhlo na rámu koloběžky, který je specifický svým rozměrem, přesahujícím velikost stavební komory stroje. Je zde popsán postup rozdělení digitálního modelu, výroba a následné složení do podoby hotového rámu. Pro stanovení vhodných dokončovacích operací je proveden experiment zaměřený na abrazivní metody úpravy povrchu. V poslední části je popsán experiment minimálního průměru kanálku v součástech vyráběných pomocí SLM. V závěru práce jsou zhodnoceny dosažené výsledky a stanoveny přínosy pro praxi.

Abstract:

The topic of the dissertation is the topological optimization of components produced by additive manufacturing technologies. Indeed, these parts are with dimensions, shapes, and features that are difficult to print fully matching their CAD models. For this reason, it is necessary to print parts with certain reinforcements and supports, which must then be removed. When printing, there exist two major problems being the part tearing off the supports or the base plate, or the recoating bar colliding with the printed part. This dissertation focuses mainly on the geometry of the manufactured components, their orientation during printing and finishing operations. The work aims to establish a framework for the production process of topologically optimized components produced by additive manufacturing technology - the SLM method, given the need to examine in detail and determine the most suitable technological design and production process for different components. To achieve the goal, an analysis of the current state of SLM production technology is performed - a list of available printing materials, a detailed description of SLM technology, adverse events in 3D printing, etc. The analysis is based on professional publications, market research, and publicly available information in literature and web form. Based on the survey, a table of available software for topological optimization is created. The prediction of stress in components manufactured by the SLM method is also described. The process of designing and manufacturing components is shown in a flowchart, which is divided into three main parts. The methodology is verified on a rocker arm, the result of which is then compared with a conventionally manufactured part. Further verification of the design process takes place on a scooter frame, which is larger than the building chamber of the machine for its production. The procedure of division of the digital model, production, and subsequent assembly into the form of a finished frame is described. Additionally, an experiment focused on abrasive surface treatment methods is performed to determine suitable finishing operations for printed parts. Moreover, the last part of this work describes the experiment on the minimum channel diameter in components manufactured using SLM. To summarize, the achieved results are evaluated and the applicabilities for practice are determined.

Keywords

Aditivní technologie, SLM, topologická optimalizace, vahadlo, 3D tisk

Keywords

Additive Manufacturing, SLM, topology optimization, rocket arm, 3D printing

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 2. 6. 2021

Thesis defence

• Date of defence: 30. 8. 2021
• Supervisor: Jana Petrů
• Reader: Miroslav Zetek, Josef Sedlák, Juraj Beniak

VSB – Technical University of Ostrava

Fakulta strojní

Doctoral programme / field:
Strojní inženýrství / Strojírenská technologie