Computational and empirical modeling of additive manufacturing processes

Abstract

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.