Topology optimization of an object for additive manufacturing

Abstract

Engineers focus on the design of new added-value products, which satisfy the human needs. The product-design process follows a base line. It starts from an idea and through 2D and 3D design, models are created for creating prototypes, which are then evaluated. During this process many design parameters and other specifications have to be taken into account. Topology optimization is a well-known design decision tool for designers/engineers. Generative design based on topology optimization and artificial-intelligent algorithms is also a helpful design tool, especially in the early design stage of conceptual design. Topology optimization and generative design outcomes are characterized by a complex-structure shape. Often these structures are difficult, or impossible to be produced with traditional fabrication techniques. Additive manufacturing, due to its ability to fabricate any complex shape, is the appropriate method to overcome this limitation. In this thesis topology optimization and generative design are utilized for the design of a consumer product and also for the redesign of mechanical components, taking into account the limitations of the selected additive manufacturing technique. The developments of additive manufacturing in recent years and its close relevance with the results of TO and GD process are very encouraging. Auxetic materials have enhanced dynamical properties and damping behavior, and thus they can be used in certain applications. This property is usually explained from the microstructure, although other models have been used as well, such as chiral, or mechanism-based models. Auxetic materials are used in several fields, however, optimal design towards dynamical properties is still under investigation. In this study the efficiency of auxetic materials on a dynamic loading caused by bullet penetration has been compared with non-auxetic materials. A key factor of additive manufacturing for the fabrication of light weight structures is the selected infill structures. In the current thesis by utilizing topology optimization, new infill structures are designed with the use of the SIMP topology optimization method. The selected method predicts the material distribution in a specific and predefined domain in an accurate way, but it does not check other material properties, such us structure isotropy. In the current thesis a hybrid approach has been adopted, which combines topology optimization and the classic homogenization method to evaluate the topological optimized microstructures. Using an RVE (Representative Volume Element) the results are evaluated numerically. Then, using additive manufacturing, specimens of both microstructures are fabricated and evaluated with compression and tensile strength tests. The results agree with the numerical findings that the microstructures have anisotropic behavior.

Οι μηχανικοί σχεδίασης προϊόντων αποσκοπούν στη σχεδίαση νέων, καινοτόμων προϊόντων τα οποία θα ανταποκρίνονται ισάξια τόσο στις ανάγκες των χρηστών όσο και των κατασκευαστών. Η διαδικασία σχεδίασης ενός νέου προϊόντος ακολουθεί μια διαδικασία αρκετά τυποποιημένη, που ξεκινά από τη σύλληψη της ιδέας, συνεχίζεται με τη δημιουργία δισδιάστατων και τρισδιάστατων σχεδίων και ολοκληρώνεται με τη δημιουργία πρωτοτύπων, από την αξιολόγηση των οποίων θα κριθεί η απόφαση για συνέχιση στο στάδιο της παράγωγής ή για αναθεώρηση των δεδομένων της σχεδιομελέτης. Είναι σημαντικό, να ληφθούν υπόψη όλοι οι παράγοντες που θα διαμορφώσουν τις προδιαγραφές του νέου προϊόντος και να συνεκτιμηθούν. Η διαδικασία αυτή μόνο εύκολη δεν είναι και απαιτεί χρόνο και πόρους. Σε αυτή την προσπάθεια, σύγχρονα εργαλεία που ανήκουν στο φάσμα της υπολογιστικής μηχανικής όπως η τοπολογική βελτιστοποίηση και ο γενετικός σχεδιασμός μπορούν να συμβάλλουν με κρίσιμο τρόπο στη λήψη των αποφάσεων. Παράλληλα, η αξιοποίηση της προσθετικής κατασκευής μπορεί συμβάλει αποφασιστικά όχι μόνο για τη δημιουργία πρωτοτύπων για αξιολόγηση αλλά και τελικών, έτοιμων προς χρήση, προϊόντων. Στην παρούσα διατριβή μελετάται η αξιοποίηση της τοπολογικής βελτιστοποίησης και του γενετικού σχεδιασμού σε μελέτες περίπτωσης προϊόντων ή εξαρτημάτων. Συγκεκριμένα, μελετάται η σχεδίαση ενός σχεδίου τραπεζιού από το στάδιο της ανάπτυξης των αρχικών ιδεών. Στη συνέχεια, μελετάται η βέλτιστη σχεδίαση υφιστάμενων μηχανολογικών εξαρτημάτων. Οι σημαντικές δυνατότητες που προσφέρει η προσθετική κατασκευή, για την παραγωγή δομών υψηλής πολυπλοκότητας από μεγάλο εύρος υλικών, οδηγεί στην αξιοποίηση δομών που σε αντίθετη περίπτωση δεν θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν σε εύρος παραγωγής. Χαρακτηριστικό είναι το παράδειγμα των αυξητικών υλικών οι ιδιότητες των οποίων είναι ασυνήθιστες. Ορίζονται ως αυξητικά καθώς έχουν αρνητικό λόγο Poisson. Η αυξητική συμπεριφορά προκύπτει από την ειδική δομή τους και τον τρόπου με τον οποίο παραμορφώνονται όταν φορτιστούν. Σημαντικά χαρακτηριστικά των αυξητικών υλικών είναι η αντοχή σε θραύση αλλά και σε κρούση. Στην παρούσα διατριβή ερευνάται η αξιοποίηση αυξητικών υλικών σε δυναμικό πρόβλημα κρούσης από σφαίρα. Από τα αποτελέσματα προκύπτει ευνοϊκότερη συμπεριφορά σε σύγκριση με μη αυξητική δομή. Η ικανότητα της προσθετικής κατασκευής να χρησιμοποιείται για την κατασκευή δομών στιβαρών χαμηλού βάρους οφείλεται σε σημαντικό βαθμό στη χρήση δομών πλήρωσης. Στην παρούσα διατριβή χρησιμοποιείται μια υβριδική προσέγγιση για το σχεδιασμό νέων δομών πλήρωσης. Οι δομές προκύπτουν από την αξιοποίηση της τοπολογικής βελτιστοποίησης. Εξαιτίας όμως, της αδυναμίας ελέγχου άλλων ιδιοτήτων της προκύπτουσας δομής πέρα από την εύρεση της βέλτιστης λύσης για την κατανομή του υλικού χρησιμοποιείται συνδυαστικά και η κλασική μέθοδος της ομογενοποίησης. Σκοπός είναι να ελεγχθεί πρώτα αριθμητικά η ισοτροπία της δομής με τον υπολογισμό του λόγου zener και του μέτρου ελαστικότητας Young. Από τα αποτελέσματα της αριθμητικής μεθόδου προκύπτει η ανισοτροπία των δομών. Στη συνέχεια, χρησιμοποιείται ένα αντιπροσωπευτικό δείγμα των μικροδομών και ελέγχονται ως υλικό πλήρωσης σε μοντέλο δοκού. Έπειτα, εκτυπώνονται τρισδιάστατες πλεγματικές δομές πλήρωσης με σκοπό την αξιολόγηση τους πειραματικά με τη διενέργεια ελέγχου σε κάμψη αλλά και εφελκυσμό. Από τα αποτελέσματα προκύπτει η επαλήθευση των αποτελεσμάτων της αριθμητικής ομογενοποίησης.