"Eesti Teadusfondi uurimistoetus" projekt ETF9441
ETF9441 "Digitaalsete otsetootmisprotsesside analüüs ja arendus (1.01.2012−31.12.2015)", Meelis Pohlak, Tallinna Tehnikaülikool, Mehaanikateaduskond.
ETF9441
Digitaalsete otsetootmisprotsesside analüüs ja arendus
Analysis and Development of Additive Manufacturing Processes
1.01.2012
31.12.2015
Teadus- ja arendusprojekt
Eesti Teadusfondi uurimistoetus
ETIS klassifikaatorAlamvaldkondCERCS klassifikaatorFrascati Manual’i klassifikaatorProtsent
4. Loodusteadused ja tehnika4.12. Protsessitehnoloogia ja materjaliteadusT150 Materjalitehnoloogia2.3. Teised tehnika- ja inseneriteadused (keemiatehnika, lennundustehnika, mehaanika, metallurgia, materjaliteadus ning teised seotud erialad: puidutehnoloogia, geodeesia, tööstuskeemia, toiduainete tehnoloogia, süsteemianalüüs, metallurgia, mäendus, tekstiilitehnoloogia ja teised seotud teadused).50,0
4. Loodusteadused ja tehnika4.14. Tootmistehnika ja tootmisjuhtimineT130 Tootmistehnoloogia 2.3. Teised tehnika- ja inseneriteadused (keemiatehnika, lennundustehnika, mehaanika, metallurgia, materjaliteadus ning teised seotud erialad: puidutehnoloogia, geodeesia, tööstuskeemia, toiduainete tehnoloogia, süsteemianalüüs, metallurgia, mäendus, tekstiilitehnoloogia ja teised seotud teadused).50,0
AsutusRollPeriood
Tallinna Tehnikaülikool, Mehaanikateaduskondkoordinaator01.01.2012−31.12.2015
PerioodSumma
01.01.2012−31.12.201215 600,00 EUR
01.01.2013−31.12.201315 600,00 EUR
01.01.2014−31.12.201415 600,00 EUR
01.01.2015−31.12.201515 600,00 EUR
62 400,00 EUR

Käesoleva projekti eesmärgiks on uurida digitaalsete otsetootmistehnoloogiates asetleidvaid protsesse ja täiustada neid. Projekti raames on kavas luua täpsemad mudelid digitaalsete otsetootmisprotsesside, eeskätt laserpaagutuse, numbriliseks simulatsiooniks; analüüsida protsesse eesmärgiga parandada täpsust; tõsta laserpaagutuse täpsust; täiustada protsessi gradientmaterjalidest toote valmistamiseks ning multidistsiplinaarse topoloogia optimeerimise meetodi väljapakkumine kasutamiseks laserpaagutusega valmistatavate toodete arendamisel. Protsessi uurimisel on plaanis kasutada numbrilise modelleerimise vahendeid (lõplike elementide meetod) ja eksperimentaalseid meetodeid. Tootmisprotsesside oluliseks omaduseks on paindlikkus ja uue toote juurutamise kiirus. Traditsiooniliste masstootmistehnoloogiate ühtseks tunnuseks on keerukas ja aeganõudev ümberseadistamine uute toodete tootmiseks, tooted valmistatakse suurte partiidena, mille piires on väike arv erinevusi. Võime kiiresti tootmist ümber seadistada annab firmadele olulise konkurentsieelise. Tingimustes, kus soovitakse toota massiliselt tooteid, mis kõik oleksid teatud piirides kohaldatavad vastavalt tarbija nõudmistele, on vajadus kasutusele võtta paindlikumaid tootmistehnoloogiaid. Sellisteks on digitaalse otsetootmise tehnoloogiad (i. k. Additive Manufacturing, Direct Digital Manufacturing, Rapid Manufacturing). Nende tehnoloogiate puhul valmistatakse detailid või tooted otse kolmemõõtmelise digitaalmudeli alusel kihthaaval ilma märkimisväärse käsitööta. Protsess toimub materjali lisamisega, mitte eemaldamisega, nagu tavapäraselt. Kusjuures ei vajata spetsiaalseid tööriistu. Kuna protsess toimub materjali lisamisega on võimalik materjali säästa, mis läheb kokku kaasaegse keskkonnasäästliku mõtteviisiga. Üheks levinumaks protsessiks on laserpaagutus (Selective Laser Sintering). Selles protsessis valmistatakse detail pulbermaterjalist osakesi kihthaaval laseriga kokku liites. Materjalidena saab kasutada polümeere, metalle, keraamikat ja komposiite. Kõnealloleval tehnoloogial on mõned puudused, sh. madal täpsus, materjalide valik on väike, tootlikkus on väike, tehnoloogial on kõrge hind jne. Nende puuduste kõrvaldamine aitaks muuta kõneallolevat tehnoloogiat tootjatele atraktiivsemaks ja valmistada uusi tooteid odavamalt ja paindlikumalt. Käesolev projekt aitaks nende puuduste kõrvaldamisel.
The objective of the current research project is to analyze the processes involved in Additive Manufacturing (AM) technologies and find ways to improve them. It is planned to study methods and procedures to improve AM processes, especially those that are based on SLS approach. The main tasks of the study are: to develop new simulation models of SLS process by implementing more accurate material models and simulation procedures; to improve accuracy of SLS; to improve SLS process by developing method to apply composite particles/fibers into model in controlled way so that parts with FGM could be produced and to develop multidisciplinary topology optimization procedures for parts made with AM. For achieving the objectives, it is planned to use extensively numerical modeling methods (e.g. FEA) and experimental procedures. Flexibility is an important property of manufacturing processes. One feature of traditional mass production technologies is complicated and time consuming readjustment for production of new products. The capability of fast adaptation to new products assures significant competitive advantage. The technologies providing such capabilitiy are Additive Manufacturing technologies, also known as Direct Digital Manufacturing or Rapid Manufacturing. In case of these technologies, parts are manufactured directly from three dimensional digital models without significant manual work. The parts are built automatically in layer wise manner by adding material, not removing like in most traditional processes. As the process is additive, it complies with modern environment friendly mentality. No special tooling is required – the process is very flexible and highly automated. One of the most promising AM technologies is Selective Laser Sintering (SLS). In this process, objects are made of powder material by fusing particles together layer by layer with a laser. Parts can be made of metals, polymers, ceramics and composites. Although AM technologies are in industrial use already for several decades, there exist some serious limitations that prevent wider industrial implementation. The main limitations are associated with quality (mechanical properties, surface quality, accuracy of geometry, etc.) of parts produced by AM; only limited number of materials can be used; the productivity is low and the technology is expensive. The wider use of AM technologies depends on removing such limitations, and the current research project addresses this issue.
Käesolev grandiprojekt oli fokusseeritud digitaalse otsetootmise arendusele, põhiliselt polümeermaterjalide laserpaagutusele. Laserpaagutuse protsessis toimuvad keerukad füüsikalis-keemilised protsessid, milledest täpne arusaamine tagab eduka protsessi juhtimise. Protsessi toimimise väljaselgitamisel kasutati numbrilisi simulatsioone ja ka eksperimentaalset uurimist. Protsesside numbriliseks modelleerimiseks kasutati lõplike elementide meetodit. Täpsuse tõstmiseks on läbiviidud uurimistöö, mis hõlmab eksperimentaalset poolt, mille käigus selgitati välja millised täpsust iseloomustavad parameetrid on olulisimad ning millised töötlusparameetrid neid mõjutavad. Mehaaniliste omaduste parandamiseks viidi läbi uurimistöö, mis sisaldas süsinikkiududega armeeritud polüamiidi laminaadi ja laserpaagutusel loodud mudelite kombineerimist. Uurimistöö tulemusena pakuti välja ka mitmeetapiline multi-kriteriaalne optimeerimisalgoritm topoloogia optimeerimiseks. See sisaldab topoloogia optimeerimist erinevate kihi orientatsioonide korral, närvivõrkudel põhineva asendusmudeli loomist, mis võtab arvesse topoloogia optimeerimise tulemusi, ja lõpuks geneetilistel algoritmidel ning Pareto frondi kasutamisel põhinevat multi-kriteriaalset optimeerimist, kus minimeeritakse nii toote kaalu, ajakulu ja ka valmistamise hinda, tagades samas tugevus- ja jäikustingimustest tulenevad piirangud maksimaalse lubatud pinge ja deformatsiooni osas. Materjaliuuringute valdkonnas viidi läbi uurimistöö laserpaagutuse protsessis üle jäänud polüamiidpulbri ümbertöötlemiseks ja omaduste parendamiseks. Polüamiidi pulber kompaunditi erinevate lisanditega eesmärgiga uurida materjalide lisamisel saadavat efekti. Muuhulgas üritati valmistada parendatud omadustega teisest toorainet levinud digitaalse otsevalmistusprotsessi sulatraadiga modelleerimise tarbeks ning töötati välja metoodika ja projekteeriti ning ehitati valmis katseseade ekstruuderi abil traadi tegemiseks.