چارچوب یکپارچه مبتنی بر طراحی برای انتخاب منبع در تولید افزایشی

Integrated design-oriented framework for Resource Selection in Additive Manufacturing

چکیده
۱ مقدمه
۱-۱ انگیزه و هدف
۱-۲ ساختار
۲-چارچوب مبتنی بر طراحی یکپارچه برای RS در AM
۲-۱RS در طراحی مفهومی
۲-۲ RS در طراحی تجسمی
۳-مثال
۳-۱ RS در طراحی مفهومی
۳-۲ Rs در طراحی تجسمی
۴-نتیجه گیری

چکیده
 انتخاب منابع(RS) یکی از نخستین مراحل طراحی محصول است که اثر بسزایی بر روی تولید محصول دارد. انتخاب مواد و فرایند تولید یک مولفه مهم از RS بوده و بایستی در مراحل اولیه طراحی در نظر گرفته شود. چون فناوری های نوظهور نظیر تولید افزایشی پتانسیل های تولید را با جهت دهی محرکی بازاری نظیر نیاز های با پیچیدگی بالا، فردیت سازی، چرخه تولید محصول کوتاه تر، مواد فراوان و فرایند ای تولید و جریان های متنوع تولید باز تعریف کرده اند، انتخاب مواد، فرایند های تولید و دستگاه های مربوطه در مراحل اولیه طراحی با در نظر گرفتن طراحی برای دستور لعمل های افزایشی تولید مهم است.از آن جا که چندین میار، ویژگی مواد وملزومات عملکرد فرایند برای تصمیم گیری در صنایع امروز در نظر گرفته می شود، یک چارچوب یکپارچه مبتنی بر طراحی در این مقاله برای RS در AM برای سازمان دهی دانش طراحی مربوط به فرایند طراحی در نظر گرفته شده است: طراحی مفهومی، تجسمی و جزیی. با این حال، تمرکز بیشتر بر روی مراحل طراحی مفهومی و طراحی مجدد حفظ خواهد شد. علاوه بر این، فرضیات برای کمک به تصمیم گیری و کمک به استخراج قوانین مربوط به هر یک از معیارهای طراحی تعریف شده است. این چارچوب به عنوان یک راهنما برای طراحان صنعت AM در نظر گرفته شده است تا ترکیبات متنی و ماشین را طراحی و طراحی نماید.
۱- مقدمه
۱-۱ انگیزه و هدف
طراحی محصول نه تنها مستلزم رفع نیاز های مربوط به عملکرد و کار کرد قطعات است بلکه نیازمند تحقق و رفع محدودیت های مرتبط با فرایند تولید است. از آنجاییکه تولید بیشتر در مورد ساخت محصولات صرفا فیزیکی نیست، رانندگان بازار مانند اقتصاد تولید، سفارشی سازی انبوه، زمانهای کوتاهتر، مدلهای تجاری بهبود یافته، تغییرات در تقاضاهای مصرف کننده، ماهیت محصولات و زمینههای کاربردی (فضایی، خودرویی، بهداشتی مراقبت، و غیره)، به ذینفعان هدایت شده اند تا تصمیمات مهم در مراحل اولیه طراحی، و پس از آن کاهش هزینه های مونتاژ و تدارکات [۱] را کاهش دهد.
تولید افزودنی (AM) در طول سالها، توانایی ساخت هر چیزی را نشان داده است. AM توسط انجمن آمریکایی تست مواد (ASTM) به عنوان “فرآیند پیوستن به مواد برای ایجاد اشیاء از داده های مدل ۳D معمولا لایه بر لایه، به عنوان مخالف تکنولوژی تولید خرده مقیاس مانند ماشینکاری سنتی” [۲] تعریف شده است. علاوه بر این، مونزون و همکاران [۳] تقسیم AM به ۷ مناطق مجزا؛ فتوپلیمریزاسیون وات، جت مواد، پودر کوره، جوشاندن اتصال دهنده، اکستروژن ماده، ورقه ورقه ورقه، و رسوب انرژی کارگردانی. برای هر یک از این ۷ ناحیه، فرآیندهای مرتبط با AM بسیار ( ، مدل سازی رسوبدهی، انتخاب پاشش لیزر و غیره) است. بنابراین، محدودیت های مربوط به روش های مدل سازی سه بعدی برای هر فرایند، دیجیتالیزاسیون ایده ها، تقسیم بندی قطعات تولید شده، انتخاب تعادل مناسب مواد، فرایندهای تولید و ماشین آلات AM، محدودیت در انتخاب مواد، چرخه طراحی بیشتر نسبت به تولید چرخه، پردازش پس از آن و مسائل مربوط به پایان سطح، و غیره، از عوامل بسیاری هستند که طراحان کار در صنعت AM باید امروز تمرکز کنند [۵،۶].
طراحان AM با استفاده از محدودیت های مختلف، الزامات عملکردی و طراحی هایی که مربوط به عملکرد محصول می شوند، متقاعد شده اند که از دستورالعمل DFEM برای توسعه یک رویکرد یکپارچه در مرحله طراحی استفاده کنند که نه تنها می تواند طراحی و ساخت را پیوند دهد به عنوان یکپارچه طراحی فرآیند محصول (IPPD) از زمان حاضر] اما همچنین برای بسیاری از محدودیت های تولید و عوامل مرتبط با ماشینکاری سنتی، نظیر اجتناب از اتصالات جداگانه، طراحی مدولار، استفاده از اجزای استاندارد و به حداقل رساندن مسیرهای مونتاژ، برای به دست آوردن قطعات از هر گونه پیچیدگی هندسی بدون کمکهای ماشینکاری سنتی مانند ابزار [۷، ۸، ۹]. همچنین لازم است که در اینجا به این نکته توجه کنیم که به دلیل طراحی بالغ از سطح مقدماتی تا تولید کامل، آزادی تغییر طرح بسیار کاهش می یابد. این به این معنی است که DFAM در فازهای اولیه طراحی به طور فزاینده ای قابل توجه است، زیرا می تواند در اجتناب از اشتباهات تولید و به حداکثر رساندن استفاده از قابلیت های AM کمک کند [۱۰،۱۱].
DfAM در تحقیقات مربوط به بهینه سازی مسیر ابزار، جهت گیری بخشی، طراحی وزن سبک و دقت ابعادی [۱۲] مورد استفاده قرار گرفته است. یزدی و همکاران [۱۳] استفاده از مدل اسکلت پوستی برای ادغام طراحی و تولید از طریق DfAM برای بهینه سازی توپولوژیک. سالونیت و زربان [۱۴] از تجزیه و تحلیل تصمیم گیری چند معیاره برای پیدا کردن یک طرح نهایی از مجموعه ای از طرح های بهینه شده از طریق DfAM نیز استفاده کردند. از این رو، کارهای قابل توجهی در ادبیات در مورد بهینه سازی محصولات و نویسندگان مطرح می شود که به دنبال هر یک از استراتژی طراحی عملکردی یا استراتژی طراحی مبتنی بر تولید [۱۵] است که در آن تاکید بیشتر بر اصلاح طراحی برای ساخت (DFM) برای AM DfAM با استفاده از ترکیبی از معیارهای طراحی (هزینه، محیط، و غیره). اما چنین دستورالعمل فقط یک نقطه شروع را فراهم می کند و اطلاعات مربوط به ماشین های AM و توانایی های تولید آنها را ارائه نمی دهد [۱۶].
انتخاب منابع (RS) یک مرحله مهم از DFM است. همانطور که AM خود ترکیب متفاوتی از فرآیندها دارد، پیشنهاد ترکیبی صحیح از مواد، فرایندهای تولید و ماشینهای مرتبط با آن، می شود تلاش بین رشته ای با توجه به توانایی AM در هر دو جهت به منظور توسعه همزمان (یعنی IPPD) و حوزه های متعدد برنامه های کاربردی . اگر چه AM دارای پتانسیل نامحدود است، اما قابلیت تضمین نامحدود را تضمین نمی کند. منابع AM انتخاب باید با در نظر گرفتن عوامل مانند مهندسی طراحی، تولید، بازاریابی، زیبایی، قابلیت اطمینان و کیفیت [۱۷] نیازهای مربوط به چرخه زندگی محصول را برآورده سازند.
به عنوان یک تمرین معمول، RS بر اساس تجربه یا دانش کارکنان طراحی / تولید انجام می شود. از آن جایی که دانستن همه چیز توسط یک فرد یا یک تیم دشوار است، یک سیستم انتخاب جامع و قوی برای کاربران برای انتخاب ترکیبی از پردازشگر مواد AM مورد استفاده قرار می گیرد [۱۸] ضروری است. برای مورد تولید سنتی یا متعارف، روش های تصمیم گیری چند منظوره تصمیم گیری (MCDM) برای RS پیشنهاد شده است، مانند انتخاب مهندسی کمبریج (بر اساس نمودار انتخاب انتخاب مواد و روش Ashby) 19]، استدلال مبتنی بر مورد ( CBR) [20]، برنامه های انتخاب مواد [۲۱]، سیستم های مبتنی بر دانش (KBS) [22] و غیره. با این حال، برای مورد AM، فرآیندهای مختلف نه تنها نشانگر همپوشانی قابل توجهی از نظر برنامه های کاربردی، بلکه قابل توجه تفاوت در شرایط مواد مناسب و کیفیت قطعات چاپی وجود دارد
[۱۸]. بنابراین، داشتن یک فناوری نسبتا جدید، اکثر کاربران دانش و تجربه کافی برای خلق کردن ندارند
قضاوت برای RS در AM از فرایند سلسله مراتبی تحلیلی (AHP) برای انتخاب فرایندهای AM بر اساس الزامات تولید شده از یک بخش استفاده کرد. به همین ترتیب، آرمیلوتا ۲۴ یک فرآیند AM مناسب را از مجموعه ای از گزینه ها برای نمونه های اولیه با استفاده از یک مدل تصحیح AHP انتخاب کرد. ویژگی های مورد نظر شامل ساخت سریع، دقت خوب و کاهش هزینه مواد است. این همچنین فرصتی برای استفاده از AHP در RS برای AM باز می کند؛ زیرا این روش به طور گسترده و با موفقیت از روش MCDM استفاده می کند [۲۵]. از ادبیات نشان داده شده است که AHP به طور گسترده ای در نه تنها در مقیاس کوچک و بزرگ، بلکه در مناطقی که دارای معیارهای متعدد هستند مورد استفاده قرار می گیرد. علاوه بر این، آن را برای مناطق مانند بخش تولید مناسب است، زیرا بر خواسته های ذاتی انسان برای انجام مقایسه با توجه به ویژگی های ذهنی و عینی بستگی دارد [۲۶]. این انتخاب برای انتخاب مواد در چرخ دنده ها [۲۷]، انتخاب بهترین مواد برای طراحی سازه های فلزی سبک وزن هواپیما [۲۸]، انتخاب فرآیندهای ماشینکاری غیر متعارف در مرحله طراحی مفهومی برای بدنه اندوپروتزی مفصل مفصل مفصل گردید [۲۹]، و در انتخاب مواد و فرآیند برای یک شبکه حفاری در صنعت هوافضا [۲۵].
پس از بحث در مورد راه های IPPD و RS برای AM، اکنون ضروری است که برخی از نکات در مورد چرخه طراحی را بیاموزیم. فعالیت طراحی را می توان به ۳ مرحله اصلی تقسیم کرد. طرح های مفهومی، تجسم و جزئیات. برای هر یک از مراحل، اتصال بین مواد، اندازه جزء و فرآیندها، هزینه تعامل بین فرایندها و شاخص های پایداری مواد، باید مورد توجه قرار گیرد [۳۰]. بنابراین، استراتژی هایی مانند رویکرد سیستم مبتنی بر قاعده [۳۱] به طور گسترده ای برای کمک به کسب دانش، انتخاب معیارهای انتخاب، ایجاد تعریف سلسله مراتبی از دانش، انتخاب یک رابط کاربر و در نهایت پیاده سازی مورد استفاده قرار گرفته است. اما قبل از همه این، لازم است که صدای مشتری را از لحاظ نیازها، مشخصات، تنظیمات زیباشناختی، و محدودیت ها، برای تدوین الزامات و عملکرد، جذب کند [۳۲]. مطالعات اندکی [۳۰، ۳۳] به ترتیب در RS در مراحل طراحی مفهومی و طراحی انجام شده است.
با توجه به ادبیات مورد بررسی، واضح است که نیاز به تکیه بر یک رویکرد سیستماتیک برای RS در AM برای پذیرش الزامات طراحی و ساخت دانش طراحی برای هر مرحله از فرایند طراحی است. ثانیا، از آنجا که RS بهترین راه حل تصمیم گیری است و به عنوان معیارهای متعدد و ویژگی های مربوط به هر دو محصول و فرایند درگیر هستند، دستورالعمل ها یا معیارها باید از ادبیات بررسی شده برای کمک به تصمیم گیری برای هر یک از معیارهای طراحی تعریف شود. علاوه بر این، رویکرد در این مقاله، متدولوژی های موجود را تشویق می کند و تلاش بیشتری برای توسعه یک سیستم مدیریت دانش می کند که می تواند ترکیبات متفاوتی از مواد و ماشین را برای طراحان AM به ارمغان آورد. این تحقیق اولین قدم به سمت یک رویکرد جامع برای حمایت از RS در AM است.

Abstract

Resource selection (RS) is one of the prime phases of product design that have substantiating impact on the manufacturing of products. Material and manufacturing process selection are considered an important ingredient of RS and must be dealt with in early stages of design. Since, emerging technologies such as Additive Manufacturing (AM) have re-defined the potentials of manufacturing by re-orienting market drivers such as high part-complexity needs, individualization, shorter product development cycles, abundant materials and manufacturing processes, diverse streams of applications, etc., it is imperative to select the right compromise of materials, manufacturing processes and associated machines in early stages of design considering the Design for Additive Manufacturing guidelines. As several criteria, material attributes and process functionality requirements are involved for decision making in the industries today, an integrated design-oriented framework is proposed in this paper for RS in AM to structure design knowledge pertaining to each stage of design process; conceptual, embodiment and detail designs. However, more focus will be kept on the conceptual and embodiment design phases. Moreover, axioms are defined to aid in decision making and help in extracting the rules associated with each of the design criteria. The framework is aimed to act as a guideline for designers in the AM industry to provide design oriented and feasible material-machine-process combinations.

چارچوب یکپارچه مبتنی بر طراحی برای انتخاب منبع در تولید افزایشی

Integrated design-oriented framework for Resource Selection in Additive Manufacturing