In this paper, a density based topology optimization is proposed for generating of supports required in additive manufacturing to maintain the overhanging regions of main structures during layer by layer fabrication process. For this purpose, isogeometric analysis method is employed to model geometry and structural analysis of main and support structures. In order to model the problem two cases are investigated. In the first case, design domain of supports can easily be separated from the main structure by using distinct isogeometric patches. The second case happens when the main structure itself is optimized by using topology optimization and the supports should be designed in the voids of optimum layout. In this case, in order to avoid boundary identification and re-meshing process for separating design domain of supports from main structure, a parameterization technique is proposed to identify the design domain of supports. To achieve this, two density functions are defined over the entire domain to describe the main structure and supporting areas. On the other hand, since supports are under gravity loads while main structure and its stiffness is not completed during manufacturing process, in the proposed method, stiffness of the main structure is considered to be trivial and the gravity loads are also naturally applied to design support structures. By doing so, the results show reasonable supports are created to protect, continuously, overhanging surfaces of the main structure. Several examples are presented to demonstrate the efficiency of the proposed method and compare the results with literature.
Additive manufacturing technology, called as 3D printing, is one of fourth industrial revolution technologies that can drive innovation in the manufacturing process, and thus should be applied to nuclear industry for various purposes according to the manufacturing trend change in the future. In this paper, we performed tensile tests of 3D printed stainless steel 316L as-built specimens manufactured by two types of technology; DED (Directed Energy Deposition) and PBF (Powder Bed Fusion). Their mechanical properties (tensile strength, yield strength, elongation and reduction of area) were compared. As a result of comparison, the mechanical properties of the PBF specimens were slightly better than those of DED specimens. In the same additive type of specimens, the tensile and yield strength of specimens in the X and Y direction were higher than those in the Z direction, but the elongation and ROA were lower.
In the present work, an explicit finite element analysis technique is introduced to analyze the thermal stress fields present in the additive manufacturing process. To this purpose, a finite element matrix formulation is derived from the equations of motion and continuity. The developed code, NET3D, is then applied to various sample problems including thermal stress development. The application of heat to an inclusion from an external source establishes an initial temperature from which heat flows to the surrounding body in the sample problems. The development of thermal stress due to the mismatch between the thermal strains is analyzed. As mass scaling can be used to shorten the computation time of explicit analysis, a mass scaling of 108 is employed here, which yields almost identical results to the quasi-static results.
For tensile tests, Vickers hardness tests and microstructure tests, plate-type and box-type specimens of austenitic 316L stainless steels were produced by a conventional machining (CM) process as well as two additive manufacturing processes such as direct metal laser sintering (DMLS) and direct metal tooling (DMT). The specimens were irradiated up to a fast neutron fluence of 3.3 × 109 n/cm2 at a neutron irradiation facility. Mechanical performance of the unirradiated and irradiated specimens were investigated at room temperature and 300 ℃, respectively. The tensile strengths of the DMLS, DMT and CM 316L specimens are in descending order but the elongations are in reverse order, regardless of irradiation and temperature. The ratio of Vickers hardness to ultimate tensile strength was derived to be between 3.21 and 4.01. The additive manufacturing processes exhibit suitable mechanical performance, comparing the tensile strengths and elongations of the conventional machining process.
The objective of this study was to investigate a simulation technology for the AM field based on ANSYS Inc.. The introduction of metal 3D printing AM process, and the examining of the present status of AM process simulation software, and the AM process simulation processor were done in the previous study (part 1). This present study (part 2) examined the use of the AM process simulation processor, presented in Part 1, through direct execution of Topology Optimization, Ansys Workbench, Additive Print and Additive Science. Topology Optimization can optimize additive geometry to reduce mass while maintaining strength for AM products. This can reduce the amount of material required for additive and significantly reduce additive build time. Ansys Workbench and Additive Print simulate the build process in the AM process and optimize various process variables (printing parameters and supporter composition), which will enable the AM to predict the problems that may occur during the build process, and can also be used to predict and correct deformations in geometry. Additive Science can simulate the material to find the material characteristic before the AM process simulation or build-up. This can be done by combining specimen preparation, measurement, and simulation for material measurements to find the exact material characteristics. This study will enable the understanding of the general process of AM simulation more easily. Furthermore, it will be of great help to a reader who wants to experience and appreciate AM simulation for the first time.
최근에 4차 산업 혁명을 견인하기 할 수 있는 다품종 소량을 위한 주요 제조 기술로써 적층 제조 공정이 부각 되고 있다. 적층 제조 공정의 층별 적층 특성은 상대적으로 저비용으로 3차원 형상과 기능성을 가진 실제 제품을 쾌속 제작할 수 있다. 이 논문의 목적은 개발 도상국들을 위한 적층 제조 공정의 적정 기술 분야 적용성에 대한 고찰이다. 적층 제조 공정의 적정 기술 적용 예들에 대한 조사/분석을 수행하여, 적층 제조 공정의 적정 기술 분야 실제 활용 가능성에 대하여 고찰하였다. 또한, 적층 제조 공정의 적정 기술 분야에 대한 주요 적용 예들을 소개하였다. 최종적으로 개발 도상국에서 적층 제조 기술을 이용한 실제적 제품 생산에 관련된 적정 기술 측면의 향후 발전 방향에 대하여 토론하였다.
Investigations of process parameters are essential when fabricating high-quality parts using additive manufacturing. This study investigates the change in the mechanical characteristics of a SUS316L specimen fabricated using selective laser melting based on the energy density and bead overlap ratio. The SUS316L powder particles were spherical and 35 ㎛ in size. Single-bead and hexahedral shape deposition experiments were performed sequentially. A single bead experiment was performed to obtain the bead overlap ratios for different laser parameters utilizing laser power and scan speed as experimental parameters. A hexahedral shape deposition experiment was also performed to observe the difference in mechanical properties, such as the internal porosity, surface roughness, and hardness, based on the energy density and bead overlap ratio of the three-dimensional printed part. Laser power, scan speed, overlap ratio, and layer thickness were chosen as parameters for the hexahedral shape deposition experiment. Accordingly, the energy density applied for three-dimensional printing, and the experimental parameters were calculated, and the energy density and bead overlap ratio for fabricating parts with good properties have been suggested.
본 연구에서는 솔더 분말 크기에 따른 솔더페이스트의 젖음성 및 레올로지 특성을 평가하였다. 솔더페이스트는 T4 (20~28 ㎛), T5 (15~25 ㎛), T6 (5~15 ㎛) 3종류의 Sn-Ag-Cu 합금 분말을 사용하였고, 플럭스와 진공에서 혼합하여 솔더페이스트를 제조하였다. 스파이럴 점도계로 10 rpm의 속도로 측정했을 때 T4, T5, T6 솔더페이스트의 점도는 각각 155, 263, 418 Pa·s의 점도를 보이며, 분말크기가 감소함에 따라 점도는 증가되는 것이 관찰되었다. 또한, 솔더페이스트의 경시변화에 따른 점도변화를 관찰하였으며, 7일 후 T4 솔더페이스트의 경우 점도가 2.6% 증가하여 거의 변화가 없었으나, T5는 20.6%의 증가를 보였으며, T6의 경우 점도 증가가 매우 높아 스파이럴 점도계로는 측정이 불가하였다. 분말 크기에 따른 솔더페이스트 점도 특성은 솔더의 인쇄성에 큰 영향을 주었다. T4 솔더페이스트의 경우 인쇄특성 및 슬럼프와 브릿징 특성이 우수하였지만, 분말 크기가 작은 T5의 경우 인쇄성이 다소 떨어졌으며, T6의 경우 점도가 높아 솔더페이스트가 마스크 개구홀의 벽에 붙고, 따라서 인쇄성이 매우 떨어지는 모습을 보였다. 솔더링을 진행할 경우, T6 솔더페이스트는 디웨팅(dewetting)이 발생하여 젖음성도 T4, T5에 비해 낮은 것이 관찰되었다.
Laser aided Direct Metal Tooling(DMT) process is a kind of Additive Manufacturing processes (or 3D-Printing processes), which is developed for using various commercial steel powders such as P20, P21, SUS420, H13, D2 and other non-ferrous metal powders, aluminum alloys, titanium alloys, copper alloys and so on. The DMT process is a versatile process which can be applied to various fields like the mold industry, the medical industry, and the defense industry. Among of them, the application of DMT process to the mold industry is one of the most attractive and practical applications since the conformal cooling channel core of injection molds can be fabricated at the slightly expensive cost by using the hybrid fabrication method of DMT technology compared to the part fabricated with the machining technology. The main objectives of this study are to provide various characteristics of the parts made by DMT process compared to the same parts machined from bulk materials and prove the performance of the injection mold equipped with the conformal cooling channel core which is fabricated by the hybrid method of DMT process.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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