Design para manufatura aditiva
O design para manufatura aditiva (DfAM ou DFAM) é projetado para manufaturabilidade quando aplicado à manufatura aditiva (AM). É um tipo geral de métodos ou ferramentas de projeto em que o desempenho funcional e / ou outras considerações fundamentais do ciclo de vida do produto, como manufaturabilidade, confiabilidade e custo, podem ser otimizados, sujeitos às capacidades das tecnologias de manufatura aditiva.
Este conceito surge devido à enorme liberdade de design fornecida pelas tecnologias AM. Para aproveitar todas as vantagens dos recursos exclusivos dos processos AM, são necessários métodos ou ferramentas DFAM. Os métodos ou ferramentas DFAM típicas incluem otimização de topologia, design para estruturas multiescala (estrutura de rede ou treliça), design de material múltiplo, customização em massa, consolidação de peças e outros métodos de design que podem utilizar recursos ativados por AM.
O DFAM nem sempre é separado do DFM mais amplo, pois a criação de muitos objetos pode envolver etapas aditivas e subtrativas. No entanto, o nome “DFAM” tem valor porque concentra a atenção na maneira como comercializar AM em papéis de produção não é apenas uma questão de descobrir como trocar partes existentes de subtrativas para aditivas. Em vez disso, trata-se de redesenhar objetos inteiros (montagens, subsistemas) em vista da recém-descoberta disponibilidade de AM avançado. Isto é, envolve redesenhá-los porque todo o seu projeto anterior – incluindo até como, por que e em quais lugares eles foram originalmente divididos em partes distintas – foi concebido dentro das restrições de um mundo onde o AM avançado ainda não existia. Assim, em vez de apenas modificar um design de peça existente para permitir que ele seja feito de forma aditiva, o DFAM completo envolve coisas como reimaginar o objeto geral de modo que ele tenha menos peças ou um novo conjunto de peças com limites e conexões substancialmente diferentes. O objeto, portanto, pode não ser mais uma montagem, ou pode ser uma montagem com muito menos peças. Muitos exemplos desse impacto prático profundamente arraigado do DFAM têm surgido na década de 2010, uma vez que a AM amplia enormemente sua comercialização. Por exemplo, em 2017, a GE Aviation revelou que havia usado o DFAM para criar um motor de helicóptero com 16 partes em vez de 900, com grande impacto potencial na redução da complexidade das cadeias de suprimento. É esse aspecto radical de repensar que levou a temas como “o DFAM exige ‘ruptura em nível empresarial'”. Em outras palavras, a inovação disruptiva que a AM pode permitir pode se estender logicamente por toda a empresa e sua cadeia de suprimentos, e não apenas mudar o layout em um chão de fábrica.
O DFAM envolve tanto temas amplos (que se aplicam a muitos processos de AM) quanto otimizações específicas para um determinado processo de AM. Por exemplo, a análise DFM para estereolitografia maximiza o DFAM para essa modalidade.
fundo
A manufatura aditiva é definida como um processo de junção de material, pelo qual um produto pode ser fabricado diretamente a partir de seu modelo 3D, geralmente camada após camada. Em comparação com as tecnologias tradicionais de fabricação, como usinagem CNC ou fundição, os processos AM têm vários recursos exclusivos. Permite a fabricação de peças com uma forma complexa, bem como uma distribuição de material complexa. Esses recursos exclusivos aumentam significativamente a liberdade de design dos projetistas. No entanto, eles também trazem um grande desafio. As regras ou diretrizes do Design tradicional para manufatura (DFM) estão profundamente enraizadas na mente dos projetistas e restringem severamente os projetistas para melhorar ainda mais o desempenho funcional dos produtos, aproveitando as vantagens desses recursos exclusivos trazidos pelos processos AM. Além disso, as ferramentas tradicionais de CAD baseadas em recursos também são difíceis de lidar com a geometria irregular para melhorar o desempenho funcional. Para resolver esses problemas, são necessários métodos ou ferramentas de design para ajudar os projetistas a aproveitar todas as vantagens da liberdade de design fornecida pelos processos de AM. Estes métodos ou ferramentas de design podem ser categorizados como Design for Additive Manufacturing
Métodos
Otimização de topologia
A otimização de topologia é um tipo de técnica de otimização estrutural que pode otimizar o layout do material dentro de um determinado espaço de design. Em comparação com outras técnicas típicas de otimização estrutural, como otimização de tamanho ou otimização de formas, a otimização de topologia pode atualizar a forma e a topologia de uma peça. No entanto, as formas otimizadas complexas obtidas da otimização de topologia são sempre uma dor de cabeça para processos de fabricação tradicionais, como a usinagem CNC. Para resolver esse problema, os processos de manufatura aditiva podem ser aplicados para fabricar resultados de otimização de topologia. No entanto, deve-se notar que algumas restrições de fabricação, como tamanho mínimo de recurso, também precisam ser consideradas durante o processo de otimização de topologia. Como a otimização da topologia pode ajudar os projetistas a obter uma geometria complexa ideal para a manufatura aditiva, essa técnica pode ser considerada um dos métodos DFAM.
Projeto de estrutura multiescala
Devido aos recursos exclusivos dos processos AM, peças com complexidades multiescala podem ser realizadas. Isso proporciona uma grande liberdade de projeto para os projetistas usarem estruturas celulares ou estruturas de treliça em micro ou mesoscales para as propriedades preferidas. Por exemplo, no campo aeroespacial, estruturas de treliça fabricadas pelo processo AM podem ser usadas para redução de peso. No campo biomédico, o bio-implante feito de treliça ou estruturas celulares pode melhorar a osseointegração.
Design multi-material
Peças com distribuição de material multimaterial ou complexa podem ser obtidas por processos de fabricação aditiva. Para ajudar os projetistas a aproveitar essa vantagem, diversos métodos de projeto e simulação foram propostos para apoiar o projeto de uma peça com vários materiais ou materiais com classificação funcional. Esses métodos de projeto também trazem um desafio para o sistema CAD tradicional. A maioria deles só consegue lidar com materiais homogêneos agora.
Design para customização em massa
Como a manufatura aditiva pode fabricar diretamente peças do modelo digital dos produtos, reduz significativamente o custo e o tempo de produção de produtos personalizados. Assim, como gerar rapidamente peças customizadas torna-se uma questão central para a customização em massa. Vários métodos de design foram propostos para ajudar designers ou usuários a obter o produto personalizado de maneira fácil. Esses métodos ou ferramentas também podem ser considerados como os métodos DFAM.
Consolidação de peças
Devido às restrições dos métodos tradicionais de fabricação, alguns componentes complexos geralmente são separados em várias partes para facilitar a fabricação e a montagem. Essa situação foi alterada pelo uso de tecnologias de manufatura aditiva. Alguns estudos de caso foram feitos para mostrar que algumas partes do projeto original podem ser consolidadas em uma parte complexa e fabricadas por processos de manufatura aditiva. Esse processo de recriação pode ser chamado como consolidação de peças. A pesquisa mostra que a consolidação de peças não só reduzirá a contagem de peças, como também poderá melhorar o desempenho funcional do produto. Os métodos de design que podem orientar os designers para a consolidação de peças também podem ser considerados como um tipo de método DFAM.