Study of manufacturing and design problems in additive manufacturing field by using finite element method

2018 ◽  
Vol 2018.31 (0) ◽  
pp. 052
Author(s):  
Atsushi KUNUGI ◽  
Toshikazu KAWAHIMA ◽  
Shingo KITAKAZE
Keyword(s):  
Finite Element Method ◽  
Finite Element ◽  
Additive Manufacturing ◽  
Design Problems ◽  
Element Method

scholarly journals Analytical Thermal Modeling of Metal Additive Manufacturing by Heat Sink Solution

Materials ◽  
2019 ◽  
Vol 12 (16) ◽  
pp. 2568 ◽  
Author(s):  
Jinqiang Ning ◽  
Daniel E. Sievers ◽  
Hamid Garmestani ◽  
Steven Y. Liang
Keyword(s):  
Heat Transfer ◽  
Finite Element Method ◽  
Boundary Condition ◽  
Finite Element ◽  
Additive Manufacturing ◽  
Computational Efficiency ◽  
Heat Sink ◽  
Thermal Gradients ◽  
Metal Additive ◽  
Element Method

Metal additive manufacturing can produce geometrically complex parts with effective cost. The high thermal gradients due to the repeatedly rapid heat and solidification cause defects in the produced parts, such as cracks, porosity, undesired residual stress, and part distortion. Different techniques were employed for temperature investigation. Experimental measurement and finite element method-based numerical models are limited by the restricted accessibility and expensive computational cost, respectively. The available physics-based analytical model has promising short computational efficiency without resorting to finite element method or any iteration-based simulations. However, the heat transfer boundary condition cannot be considered without the involvement of finite element method or iteration-based simulations, which significantly reduces the computational efficiency, and thus the usefulness of the developed model. This work presents an explicit and closed-form solution, namely heat sink solution, to consider the heat transfer boundary condition. The heat sink solution was developed from the moving point heat source solution based on heat transfer of convection and radiation. The part boundary is mathematically discretized into many heats sinks due to the non-uniform temperature distribution, which causes non-uniform heat loss. The temperature profiles, thermal gradients, and temperature-affected material properties are calculated and presented. Good agreements were observed upon validation against experimental molten pool measurements.

scholarly journals Micro-Pins - the next step in composite to composite and metal to composite joining

2020 ◽  
Author(s):  
Νικόλαος Σαραντινός
Keyword(s):  
Finite Element Method ◽  
Finite Element ◽  
Additive Manufacturing ◽  
Sandwich Panel ◽  
Building Blocks ◽  
Element Method

Αυτή η διδακτορική έρευνα επικεντρώθηκε στην ανάπτυξη ενός πιο αξιόπιστου συνδέσμου, μετάλλων με σύνθετα υλικά και σύνθετων υλικών προς σύνθετα, χρησιμοποιώντας την τεχνολογία Micro-Pinning. Αυτή η τεχνολογία χρησιμοποιεί μικρές δομές (pins) που διεισδύουν στο σύνθετο πολύστρωτο υλικό πριν από τον πολυμερισμό της μήτρας και δημιουργούν έναν υβριδικό μηχανικό-χημικό δεσμό μεταξύ των δομών. Η έρευνα που πραγματοποιήθηκε σε αυτή τη μελέτη ήταν κυρίως προσανατολισμένη σε μία κατεύθυνση περισσότερο τεχνική από ακαδημαϊκού χαρακτήρα, εστιάζοντας σε ένα συγκεκριμένο σενάριο βιομηχανικής εφαρμογής και όχι σε γενική έρευνα - σύμφωνα με τις απαιτήσεις του προγράμματος ESA / NPI που υπάγεται η παρούσα έρευνα. Σε αυτή τη μελέτη, η τεχνολογία του Micro-Pinning επικεντρώθηκε στην εφαρμογή της σε διαστημικές συνδετικές δομές. Η κύρια κατευθυντήρια γραμμή ήταν να βρεθεί μια εφαρμογή των Micro-Pins, χωρίς να απαιτούνται πολλές αλλαγές στην φιλοσοφία σχεδιασμού και στις διαδικασίες κατασκευής που χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία. Σε επόμενο βήμα, εφαρμόστηκε μια μελέτη σκοπιμότητας για τον επανασχεδιασμό ενός συνδέσμου με Micro-Pins και την απόκλιση της σχεδιαστικής φιλοσοφίας από τις τρέχουσες κατασκευαστικές διαδικασίες, στην οποία συνδυάστηκαν και χρησιμοποιήθηκαν προηγμένα εργαλεία αριθμητικής βελτιστοποίησης, διαδικασίες Additive Manufacturing και πλήρης επανασχεδιασμός του αρχικού συνδέσμου για τη βέλτιστη εφαρμογή της τεχνολογίας Micro-Pinning από την αρχή. Για την επίτευξη των στόχων αυτής της έρευνας, σχεδιάστηκε ένα ερευνητικό σχέδιο σε τρεις φάσεις, το οποίο ακολούθησε την μέθοδο building blocks. Το σχέδιο άρχιζε από τη μικρο-κλίμακα σε επίπεδο σύνδεσης ενός Micro-Pins, συνεχιζόταν στη μεσο-κλίμακα με σύνδεσμο πολλαπλών Micro-Pins και ολοκληρώθηκε σε μακρο-κλίμακα με την πλήρη εφαρμογή της τεχνολογίας Micro-Pinning σε σύνδεση bracket-insert-sandwich panel. Σε κάθε φάση, τρεις υποδιαιρέσεις έρευνας πραγματοποιήθηκαν. Αρχικά, εκτελέστηκε μια αριθμητική μελέτη βελτιστοποίησης, η οποία ακολουθήθηκε από κατασκευή και πειραματική δοκιμή των βελτιστοποιημένων συνδέσμων, και τελειώσε με μια αριθμητική διαδικασία δοκιμής για την επικύρωση των αποτελεσμάτων και της ικανότητας πρόβλεψης της μηχανικής απόκρισης του συνδέσμου, χρησιμοποιώντας αριθμητικά μη γραμμικά εργαλεία Finite Element Method. Στα τελικά αποτελέσματα αυτής της μελέτης, αποδείχθηκε ότι η επανασχεδιασμός ενός συνδετικού στοιχείου και η προσαρμογή της τεχνολογίας Micro-Pinning μπορεί να επιφέρει σημαντικά μεγαλύτερη μηχανική απόκριση σε σύγκριση με τον σύνδεσμο αναφοράς με κόλλα. Ωστόσο, αποδείχθηκε ότι ακόμη και να διατηρηθεί η γεωμετρία του αρχικού συνδέσμου αναφοράς και να εφαρμοστεί η τεχνολογία Micro-Pinning, μπορεί να υπάρξει μια επίσης αύξηση της μηχανικής απόκρισης του συνδέσμου. Επιπλέον, η εφαρμογή σύγχρονων εργαλείων αριθμητικής βελτιστοποίησης και προηγμένων κατασκευαστικών τεχνολογιών (Additive Manufacturing), μπορεί να οδηγήσει στην περαιτέρω βελτιστοποίηση της μηχανικής απόκρισης με μία σημαντική μείωση μάζας του συνδέσμου.

Sign in / Sign up

Export Citation Format

Share Document