Computational and empirical modeling of additive manufacturing processes

Abstract

The interest in Additive Manufacturing (AM) processes is constantly increasing due to the many advantages they offer. There is a wide range of AM applications in terms of material, process mechanism and machine type. One important aspect that is common in all the AM processes is the movement of the scanner head. It is defined by the path sequence followed for the scanning of a layer (scanning strategy) and by the speed of the scanner head over time. Therefore, the movement of the scanner head is of high importance, since it directly affects part quality and build time. The knowledge of the entire progression of the phenomenon is key for the optimization of the path and speed of the scanner head, as well as for other important process parameters. However, the majority of studies simulate either very short portions of the manufacturing time or very small/simple parts, and they are not capable to present a holistic overview of its effects on part quality. In this dissertation, process modeling has been used for the investigation of the effect of the movement of the scanner head (path and speed) on part quality. The principles of model based system engineering (MBSE) were taken into account for the development of the presented framework and models. The existing AM process groups have been classified based on three parameters-axes: temperature of the process, part size and process complexity. This classification points out the impact of each of the two components of the scanner head movement (path and speed) on part quality for the different AM process groups. Viewing the entirety of the AM processes as a whole, a different AM process has been selected for the investigation of each of the scanner head components: the investigation of the effect of scanning strategy on quality has been performed by modeling metal-based AM, while for the effect of scanner speed on quality cement-based AM has been modelled. For the investigation of the scanner path a numerical 3D thermal simulation tool has been developed for the metal-based AM process group (Powder Bed Fusion process). It allows for the extraction of conclusions concerning process parameters and scanning strategy (path) selections by simulating the thermal field, which is much faster in its calculation than the thermal induced thermal stresses and deformations. This is enabled by the Stress Formation Tendency Index (SFTI) that has been developed. The SFTI encapsulates the intensity of the non-uniformity of the thermal field, which is the reason for the development of thermal stresses and deformations. Therefore, ease of use and practicality is ensured for the simulation of the whole manufacturing procedure, even for complex parts, maintaining low computational cost and time making possible the evaluation of alternatives in terms of the scanning strategy selection and of other important process parameters. An empirical modeling approach has been followed for the investigation of the effect of scanner head speed on part quality. In the context of this, a cement-based AM experimental apparatus was designed and developed and two types of two types of extrusion experiments have taken place, linear and rotational. An alternative process-control strategy has been followed, according to which the width of the extruded path is controlled by the ratio of the extrusion speed over the scanner head speed. The advantage of this approach is its higher precision and productivity. The effect of important process parameters on part quality has been investigated; namely the extrusion speed, the ratio of the extruder/scanner head speed and the radius under which the extrusion takes place. The research contribution of this dissertation focuses on the following points: 1. Investigation of the main challenges of AM. 2. Review and categorization of the existing simulation models for AM processes. 3. Process models have been created, under a specific framework, for the investigation of the effect of the movement of the scanner head (path and speed) leading to increased part quality. 4. Development of a modeling framework towards the increase of the effectiveness and of the practicality of simulations for AM processes. 5. Development of a 2D model for metal AM processes capable of real-time simulations (use in machine control). 6. Scanner path investigation: Development of a 3D model of metal-based AM processes towards improving part quality through the evaluation of alternatives in terms of the scanning strategy selection and of other important process parameters. 7. The developed models take into account the exact path of the heat source throughout the process, maintaining the required computing resources at low levels. 8. Development of the SFTI index, which is based on the uniformity of the thermal field and reflects the thermal stresses and deformations that develop during the production of a part. SFTI makes it practically possible, in terms of computational costs, to use modeling to evaluate scanning strategy alternatives towards the minimization of thermal stresses and deformations. 9. Scanner speed investigation: Empirical modeling of cement-based AM process. Design and manufacture of an experimental apparatus for the conduction of experiments towards the investigation of the effect of scanner head speed on part quality. 10. Investigation of an alternative process-control strategy, according to which the width of the extruded path is controlled by the ratio of the extrusion speed over the scanner head speed, offering higher precision and productivity. 11. The theoretical results have been benchmarked using experimental data and commercial simulation packages. 12. Extraction of conclusions concerning the rest of the AM group towards more practical simulations.

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.