Yenilikçi tasarım yöntemleri kullanarak eklemeli imalata yönelik optimum ürün geliştirilmesi

Abstract

Dünya çapında 3B baskı diğer adıyla eklemeli üretim endüstri de en çok yararlanılan üretim yöntemlerinden birisidir. Bunun en önemli sebebi geleneksel yöntemler kullanılarak üretilemeyen karmaşık yapıların AM ile rahatlıkla üretilebilmesidir. Eklemeli üretim yönteminin teknolojileri kullanılarak karmaşık geometrili parçaları zaman ve maliyet bakımından önemli bir artış olmadan üretebilinmesinden dolayı yeni yöntem arayışlarına başlanılmıştır. Daha az malzeme ve böylelikle daha hafif parçalara ulaşmak için ilk başlarda topoloji optimizasyon yöntemi kullanılmaya başlanılmış. Daha sonra ise topoloji optimizasyon yöntemi geliştirilerek özelleştirilmiş kafes yapıları uygulanmaya başlanmıştır. Kafes yapıları ile tasarım da uygulanan yük koşullarını karşılayacak biçimde optimum ağırlığa sahip yeni tasarım oluşturulabilmektedir. Rekabetin artması ile özellikle otomotiv sektöründe yakıt tüketimini mümkün olduğunca en aza indirmek ve enerji verimliliğini arttırmak, araç üreticileri için en önemli çalışma konuları haline gelmiştir. Bunun sebebi tüketicilerin araçlarda yakıt tasarrufu sağlayanları tercih etmesinin yanı sıra uluslararası standartlar da belirlenen CO2 emisyon değerlerinin giderek daha düşük değerler ile yürürlüğe girmesi de üretici firmalarının taşıt ağırlığını hafifletmek istemelerinin önemli etkenlerindendir.Endüstri de ARGE çalışmalarında genellikle Bilgisayarlı Destekli Tasarım ve Bilgisayar Destekli Sonlu Elemanlar Analizi kullanılmaktadır. Bu yöntemlerin kullanılması ile daha hızlı ve güvenilir sonuçlar elde edilmektedir. Bu çalışmada Bilgisayar Destekli sonlu elemanlar analizi kullanılarak Topoloji Optimizasyon ve Kafes (Lattice) Yapısal Optimizasyon yaklaşımı ile ideal geometriye ulaşılması hedeflenmiştir.Çalışmada öncelikle mevcut parçanın mesh yapısı sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak oluşturulmuştur. Ardından modelin yapısal optimizasyonu esnasında kullanılacak olan amaç fonksiyonu, tasarım değişkenleri, optimizasyon kısıtları ve sınır koşulları tanımlanmıştır. Gerek duyulan parametreler belirlendikten sonra öncelikle mevcut tasarıma statik analiz uygulanmış daha sonra optimizasyon kodları kullanılarak salıncak kolunun topoloji optimizasyonu yapılmıştır. Elde edilen model feyiz alınarak yeni model tasarlanmış ve tekrar statik analizi yapılmıştır. Daha sonra mevcut tasarıma iki aşamada gerçekleşecek olan kafes yapısal optimizasyonu uygulanmıştır. Topoloji optimizasyonunda ve kafes yapısal optimizasyonun ilk aşamasında yoğunluk yöntemini (SIMP) kullanılarak klasik topoloji optimizasyon uygulanmıştır. Daha sonra kafes yapısal optimizasyonun ikinci aşaması için birinci aşamada oluşan kafes yapılarına boyut optimizasyonu uygulanarak kafes yapısal optimizasyonu da tamamlanmıştır.Kafes yapısal optimizasyonu için üç farklı hücre yapısı kullanılmıştır. Optimizasyon uygulamaları sonucunda her bir yeni model için ağırlık, deplasman, von-mises gerilme, kirişlerde oluşan von-mises gerilme ve normal gerilme değerleri incelenmiş ve birbirleri ile kıyaslamaları yapılmıştır. Elde edilen sonuçlara göre, kafes yapısal optimizasyonu ile topoloji optimizasyonundan daha güvenilir tasarım yapıları oluşturulabilmekte ve hücresel kafeslerin hem konfigürasyonları hem de yerleşim düzenleri, kafes yapısının genel performansı üzerinde kayda değer etkiye sahip olduğu gözlemlenmiştir.

3D printing / additive manufacturing is one of the most-utilized production method in the world-wide industry. The most important reason is complex structures which cannot be produced by using traditional methods can be easily produced. Due to the fact that additive manufacturing method technologies can produce complex geometrical pieces without a significant increase in terms of time or cost, the researchers have began to search for new methods. Specialized lattice structures have been implemented to generate less material and so lighter parts. Thanks to the lattice structure, new design can be created with the optimum weight to meet the load conditions applied in the design.Especially in the automotive sector, both possible minimizing fuel consumption and increasing energy efficiency have become one of the most important working subjects for vehicle manufacturer. In addition, consumers prefer fuel-saving vehicles are an effective factor due to CO2 emission values, determined with international standards are enacted with legal regulations containing lower values each passing day, producers want to lighten weight of vehicle.Computer Aided Design and Computer Aided Finite Element Analysis are commonly used studies of innovation in industry. By using these methods, faster and more reliable results are obtained. In this study in which aimed to reach the ideal geometry with topology and lattice structural optimization approach by using Computer Aided Finite Element Analysis. Firstly, finite element method was used for the mesh structure of the initial part in this study. Then, the design variables, objective function, optimization constraints and boundary conditions, which are used during the structural optimization were determined. After the necessary parameters were determined, static analysis was applied to the initial design and then the topology optimization of the swing arm was made by using optimization codes. The new model has been designed and the static analysis has been done again. Then, the lattice structural optimization, which taked place in two stages is applied. In the first stage, the classical topology optimization based on density method (SIMP) is applied on the model. Then size optimization is applied for lattice structure and so lattice structural optimization is completed.Three different cell structures were used for the lattice structural optimization. As a result of the optmization, weight, displacement, von-mises stress, von-mises stress on the beams and normal stress values on the beams were examined for each new model and all of the results were compared. According to the results, both the configurations and the layout of the cellular structures have a significant effect on the overall performance of the lattice structure.