scholarly journals Computational and empirical modeling of additive manufacturing processes

2021 ◽  
Author(s):  
Παναγής Φωτεινόπουλος
Keyword(s):  
Additive Manufacturing ◽  
System Engineering ◽  
Empirical Modeling ◽  
Manufacturing Processes ◽  
Powder Bed Fusion ◽  
Powder Bed ◽  
Model Based ◽  
Stress Formation

Το ενδιαφέρον για τις διαδικασίες Προσθετικής Κατασκευής-Additive Manufacturing (AM) αυξάνεται συνεχώς λόγω των πολλών πλεονεκτημάτων που προσφέρουν. Υπάρχει ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών AM όσον αφορά το υλικό, τον μηχανισμό της διεργασίας και τον τύπο της μηχανής. Μια σημαντική πτυχή που είναι κοινή σε όλες τις διεργασίες AM είναι η κίνηση της κεφαλής της μηχανής, η οποία επηρεάζει άμεσα την ποιότητα και το χρόνο παραγωγής και ορίζεται από την διαδρομή που ακολουθείται προκειμένου να σαρωθεί η επιθυμητή επιφάνεια (στρατηγική σάρωσης) και από την ταχύτητα της κεφαλής της μηχανής κατά τη διάρκεια αυτών των κινήσεων. Η γνώση ολόκληρης της εξέλιξης της διεργασίας είναι κρίσιμη για τη βελτιστοποίηση της στρατηγικής σάρωσης και της ταχύτητας της κεφαλής, καθώς και για άλλες σημαντικές παραμέτρους της διεργασίας. Ωστόσο, η πλειονότητα των μελετών επικεντρώνεται στην προσομοίωση είτε πολύ μικρού χρόνου παραγωγής είτε πολύ μικρών/απλών εξαρτημάτων, αδυνατώντας έτσι να παρουσιάσει μια ολιστική επισκόπηση των επιπτώσεων της κίνησης της κεφαλής της μηχανής στην ποιότητα. Σε αυτή τη διατριβή έλαβε χώρα η μοντελοποίηση διεργασιών ΑΜ με σκοπό την διερεύνηση της επίδρασης της κίνησης της κεφαλής της μηχανής (διαδρομή και ταχύτητα) στην ποιότητα των παραγόμενων εξαρτημάτων. Οι αρχές του model based system engineering (MBSE) ελήφθησαν υπόψιν για την ανάπτυξη των μοντέλων και του πλαισίου έρευνας που ακολουθήθηκε. Πιο συγκεκριμένα, οι υπάρχουσες διεργασίες AM κατηγοριοποιήθηκαν με βάση τρεις άξονες: τη θερμοκρασία της διεργασίας, το μέγεθος των παραγόμενων εξαρτημάτων και την πολυπλοκότητα της διεργασίας. Θεωρώντας τις διεργασίες AM σαν ένα ευρύτερο σύνολο, επιλέχθηκε μια διαφορετική διεργασία AM για τη διερεύνηση καθενός από τα στοιχεία της κίνησης της κεφαλής: η διερεύνηση της επίδρασης της στρατηγικής σάρωσης στην ποιότητα πραγματοποιήθηκε με τη μοντελοποίηση διεργασιών ΑΜ μετάλλου, ενώ η επίδραση της ταχύτητας της κεφαλής στην ποιότητα διερευνήθηκε μέσω της μοντελοποίησης διεργασιών ΑΜ υλικών με βάση το τσιμέντο. Αυτή η επιλογή στηρίζεται στην εκτεταμένη βιβλιογραφική ανασκόπηση, καθώς και ανάλυση που αναπτύχθηκε στα πλαίσια αυτής της διατριβής. Για τη διερεύνηση της στρατηγικής σάρωσης έλαβε χώρα η αριθμητική μοντελοποίηση διεργασιών ΑΜ Powder Bed Fusion (PBF) υλικών με βάση το μέταλλο. Πιο συγκεκριμένα, αναπτύχθηκε ένα λογισμικό προσομοίωσης του θερμικού πεδίου το οποίο επιτρέπει την εξαγωγή συμπερασμάτων όσον αφορά την ανάπτυξη θερμικών τάσεων και παραμορφώσεων, λαμβάνοντας υπόψιν την στρατηγική σάρωσης και τις παραμέτρους της διεργασίας. Αυτό καθίσταται δυνατόν λόγω του αναπτυχθέντος Stress Formation Tendency Index (SFTI), το οποίο αντικατοπτρίζει την τάση για την δημιουργία θερμικών τάσεων και παραμορφώσεων κατά την παραγωγή ενός κομματιού, χωρίς να απαιτείται ο υπολογισμός τους, και βασίζεται στην ανομοιομορφία του θερμικού πεδίου. Ο υπολογισμός του θερμικού πεδίου απαιτεί πολύ λιγότερο χρόνο και υπολογιστικούς πόρους απ’ ότι αυτός των θερμικών τάσεων και παραμορφώσεων. Συνεπώς, το εργαλείο που αναπτύχθηκε καθιστά δυνατή την προσομοίωση ολόκληρης της διεργασίας παραγωγής, ακόμη και για σύνθετα εξαρτήματα, λαμβάνοντας υπόψιν την ακριβή κίνηση της κεφαλής της μηχανής. Για τη διερεύνηση της επίδρασης της ταχύτητας της κεφαλής στην ποιότητα ακολουθήθηκε μια εμπειρική προσέγγιση μοντελοποίησης ΑΜ υλικών με βάση το τσιμέντο. Πιο συγκεκριμένα, σχεδιάστηκε και αναπτύχθηκε μια πειραματική διάταξη και έλαβαν χώρα δύο τύποι πειραμάτων, γραμμικής και περιστροφικής εναπόθεσης. Ακολουθήθηκε μια εναλλακτική στρατηγική ελέγχου, σύμφωνα με την οποία το πλάτος εναπόθεσης ελέγχεται από την αναλογία της ταχύτητας εξώθησης έναντι της ταχύτητας κίνησης της κεφαλής. Το πλεονέκτημα αυτής της προσέγγισης είναι η υψηλότερη ακρίβεια και παραγωγικότητα. Κατόπιν, έλαβε χώρα ο προγραμματισμός των πειραμάτων και η εμπειρική μοντελοποίηση για την διερεύνηση της επίδρασης σημαντικών παραμέτρων διεργασίας στην ποιότητα: της ταχύτητα εξώθησης, της αναλογίας της ταχύτητας εξώθησης/κεφαλής της μηχανής και της ακτίνας υπό την οποία πραγματοποιείται η εναπόθεση. H ερευνητική συνεισφορά της συγκεκριμένης διατριβής επικεντρώνεται στα ακόλουθα σημεία: 1. Διερεύνηση των κύριων προκλήσεων που αντιμετωπίζει το AM. 2. Ανασκόπηση και κατηγοριοποίηση των υπαρχόντων μοντέλων-προσομοιώσεων για διεργασίες AM. 3. Χρήση μοντελοποίησης για τη διερεύνηση της επίδρασης της κίνησης της κεφαλής της μηχανής (διαδρομή και ταχύτητα) με σκοπό την βελτίωση της ποιότητας. 4. Ανάπτυξη πλαισίου μοντελοποίησης με σκοπό την αύξηση της αποτελεσματικότητας και της πρακτικότητας των προσομοιώσεων για διεργασίες AM. 5. Ανάπτυξη μοντέλου 2D για μεταλλικές διεργασίες ΑΜ ικανό για προσομοιώσεις σε πραγματικό χρόνο. 6. Διερεύνηση στρατηγικής σάρωσης: Ανάπτυξη 3D μοντέλου διεργασιών AM μετάλλου για τη βελτίωση της ποιότητας των τελικών κομματιών μέσω της αξιολόγησης εναλλακτικών στρατηγικών σάρωσης και άλλων σημαντικών παραμέτρων της διεργασίας. 7. Τα αναπτυχθέντα μοντέλα λαμβάνουν υπόψη την ακριβή διαδρομή της κεφαλής της μηχανής καθ’ όλη τη διάρκεια της διεργασίας, διατηρώντας τους απαιτούμενους υπολογιστικούς πόρους σε χαμηλά επίπεδα. 8. Ανάπτυξη του δείκτη SFTI, που βασίζεται στην ανομοιομορφία του θερμικού πεδίου και αντικατοπτρίζει την τάση για την δημιουργία θερμικών τάσεων και παραμορφώσεων που αναπτύσσονται κατά την παραγωγή ενός κομματιού και βασίζεται στην ανομοιομορφία του θερμικού πεδίου, χωρίς να απαιτείται ο υπολογισμός τους. Το SFTI καθιστά πρακτικά δυνατή, από την άποψη του υπολογιστικού κόστους, τη χρήση μοντελοποίησης για την αξιολόγηση εναλλακτικών στρατηγικών σάρωσης για την ελαχιστοποίηση των θερμικών τάσεων και παραμορφώσεων. 9. Διερεύνηση ταχύτητας κίνησης της κεφαλής της μηχανής: Σχεδιασμός και κατασκευή πειραματικής διάταξης AM υλικών με βάση το τσιμέντο και διεξαγωγή σειράς πειραμάτων για τη διερεύνηση της ποιότητας της διεργασίας. 10. Διερεύνηση μιας εναλλακτικής στρατηγικής ελέγχου, σύμφωνα με την οποία το πλάτος της εναπόθεσης ελέγχεται από την αναλογία της ταχύτητας εξώθησης έναντι της ταχύτητας της κεφαλής, προσφέροντας μεγαλύτερη ακρίβεια και παραγωγικότητα. 11. Επαλήθευση των θεωρητικών αποτελεσμάτων με πειραματικά αποτελέσματα και εμπορικά πακέτα προσομοίωσης. 12. Εξαγωγή συμπερασμάτων και για τις υπόλοιπες ομάδες διεργασιών AM.

Analysis of defect generation in Ti–6Al–4V parts made using powder bed fusion additive manufacturing processes

2014 ◽  
Vol 1-4 ◽  
pp. 87-98 ◽  
Author(s):  
Haijun Gong ◽  
Khalid Rafi ◽  
Hengfeng Gu ◽  
Thomas Starr ◽  
Brent Stucker
Keyword(s):  
Additive Manufacturing ◽  
Manufacturing Processes ◽  
Powder Bed Fusion ◽  
Powder Bed ◽  
Defect Generation

scholarly journals Laser powder bed fusion additive manufacturing of copper wicking structures: fabrication and capillary characterization

2021 ◽  
Author(s):  
Adnen Mezghani
Keyword(s):  
Additive Manufacturing ◽  
Performance Analysis ◽  
Heat Pipes ◽  
Manufacturing Processes ◽  
Powder Bed Fusion ◽  
Laser Powder Bed Fusion ◽  
Powder Bed ◽  
Published Report ◽  
Secondary Manufacturing ◽  
Design Freedom

PurposeAn integral component in heat pipes (HPs) and vapor chambers (VCs) is a porous wicking structure. Traditional methods for manufacturing wicking structures within HPs and VCs involve secondary manufacturing processes and are generally limited to simple geometries. This work aims to leverage the unprecedented level of design freedom of laser powder bed fusion (LPBF) additive manufacturing (AM) to produce integrated wicking structures for HPs and VCs.Design/methodology/approachCopper wicking structures are fabricated through LPBF via partial sintering and via the formation of square, hexagonal and rectangular arrangements of micro-pins and micro-grooves, produced in multiple build directions. Wicks are characterized by conducting capillary performance analysis through the measurement of porosity, permeability and capillary rate-of-rise.FindingsCopper wicking structures were successfully fabricated with capillary performance, K/reff, ranging from 0.186–1.74 µm. The rectangular-arrangement micro-pin wick presented the highest performance.Originality/valueThis work represents the first published report on LPBF AM of copper wicking structures for HPs/VCs applications and represents foundational knowledge for fabricating complete assemblies of copper VCs and HPs through LPBF AM.

Hybride Fertigung mittels Laser-Strahlschmelzen/Hybrid manufacturing by laser-based powder bed fusion

2021 ◽  
Vol 111 (06) ◽  
pp. 363-367
Author(s):  
Lukas Langer ◽  
Matthias Schmitt ◽  
Georg Schlick ◽  
Johannes Schilp
Keyword(s):  
Additive Manufacturing ◽  
Manufacturing Processes ◽  
Complex Geometries ◽  
Hybrid Manufacturing ◽  
Powder Bed Fusion ◽  
Process Chain ◽  
Manufacturing Costs ◽  
Additive Fertigung ◽  
Powder Bed

Die additive Fertigung ermöglicht komplexe Geometrien und individualisierte Bauteile. Die hohen Material- und Fertigungskosten können ein Hindernis für einen wirtschaftlichen Einsatz sein. In der hybriden additiven Fertigung werden die Vorteile konventioneller sowie additiver Fertigungsverfahren kombiniert. Für eine weitere Steigerung der Wirtschaftlichkeit und Effizienz werden nichtwertschöpfende Schritte der Prozesskette identifiziert und Automatisierungsansätze entwickelt.   Additive manufacturing enables complex geometries and individualized components. However, high material and manufacturing costs can be a hindrance for economical use. Hybrid additive manufacturing combines the advantages of conventional with additive manufacturing processes. For a further increase in profitability and efficiency, non-value-adding steps in the process chain are identified and automation approaches developed.

Exploring Additive Manufacturing Processes for Direct 3D Printing of Copper Induction Coils

2017 ◽  
Author(s):  
John D. Martin
Keyword(s):  
Additive Manufacturing ◽  
3D Printing ◽  
Electron Beam Melting ◽  
Energy Deposition ◽  
Manufacturing Processes ◽  
Powder Bed Fusion ◽  
Laser Melting ◽  
Powder Bed ◽  
Computer Aided ◽  
Directed Energy

A number of additive manufacturing processes were analyzed and compared in regards to the direct 3D printing of copper induction coils. The purpose of this study was to narrow in on 3D printing technologies that would best be suited for the manufacture of copper inductions coils. The main focus of the study was to look at how all the available additive processes could specifically be successful at creating parts made of copper pure enough to effectively conduct electricity and also geometries complex enough to meet the demands of various induction coil designs. The results of this study led to three main categories of additive manufacturing that were deemed good choices for producing copper induction coils, these included: powder bed fusion, sheet lamination, and directed energy deposition. Specific processes identified within these categories were powder bed fusion using electron beam melting and laser melting; ultrasonic additive manufacturing; and directed energy deposition utilizing laser melting and electron beam melting using both wire and powder material delivery systems. Also discussed was additional benefits that using 3D printing technology could provide beyond the physical manufacturing portion by opening doors for coupling with computer aided drafting (CAD) and computer aided engineering (CAE) software in order to create a seamless design-to-production process.

scholarly journals Analysis of the Porous Structures from Laser Powder Bed Fusion Additive Manufacturing

2021 ◽  
Author(s):  
Chang Jiang Wang ◽  
Kevin Hazlehurst ◽  
Arun Arjunan ◽  
Lida Shen
Keyword(s):  
Finite Element ◽  
Additive Manufacturing ◽  
Bone Ingrowth ◽  
Manufacturing Processes ◽  
Powder Bed Fusion ◽  
Porous Structures ◽  
Laser Powder Bed Fusion ◽  
Stress Concentrations ◽  
Powder Bed ◽  
Internal Surfaces

Open and closed porous structures with lattice and honeycomb geometry can be built using laser powder bed fusion additive manufacturing processes. The porous structures can be used to tailor the mechanical properties of a component or provide other functionality, such as for bone ingrowth in medical implants. Porous structures were created and analysed in this paper both physically and using finite element modelling. It was found that the accuracy of the built parts was reasonable and within the manufacturing processes general tolerance of +/- 50 μm. However, it was noticeable that the corners of the square shape pores were naturally filleted by the manufacturing process. The finite element model was developed using ANSYS software, stress concentrations were observed in the porous structures under loading. In addition to this, fragments of the material were present on the internal surfaces of the pores, which were formed from partially melted powder particles.

Additive Manufacturing Processes Utilizing Powder Bed Fusion Technique

2019 ◽  
pp. 81-98
Author(s):  
Manu Srivastava ◽  
Sandeep Rathee ◽  
Sachin Maheshwari ◽  
T. K. Kundra
Keyword(s):  
Additive Manufacturing ◽  
Manufacturing Processes ◽  
Powder Bed Fusion ◽  
Fusion Technique ◽  
Powder Bed

scholarly journals Additive Manufacturing Processes in Medical Applications

Materials ◽  
2021 ◽  
Vol 14 (1) ◽  
pp. 191
Author(s):  
Mika Salmi
Keyword(s):  
Additive Manufacturing ◽  
Energy Deposition ◽  
Manufacturing Processes ◽  
Medical Applications ◽  
Powder Bed Fusion ◽  
Powder Bed ◽  
Material Extrusion ◽  
Fusion Material ◽  
Directed Energy ◽  
Binder Jetting

Additive manufacturing (AM, 3D printing) is used in many fields and different industries. In the medical and dental field, every patient is unique and, therefore, AM has significant potential in personalized and customized solutions. This review explores what additive manufacturing processes and materials are utilized in medical and dental applications, especially focusing on processes that are less commonly used. The processes are categorized in ISO/ASTM process classes: powder bed fusion, material extrusion, VAT photopolymerization, material jetting, binder jetting, sheet lamination and directed energy deposition combined with classification of medical applications of AM. Based on the findings, it seems that directed energy deposition is utilized rarely only in implants and sheet lamination rarely for medical models or phantoms. Powder bed fusion, material extrusion and VAT photopolymerization are utilized in all categories. Material jetting is not used for implants and biomanufacturing, and binder jetting is not utilized for tools, instruments and parts for medical devices. The most common materials are thermoplastics, photopolymers and metals such as titanium alloys. If standard terminology of AM would be followed, this would allow a more systematic review of the utilization of different AM processes. Current development in binder jetting would allow more possibilities in the future.

Sign in / Sign up

Export Citation Format

Share Document