Evaluation of design and optimization software for Additive Manufacturing with focus on topology optimization

During the past years, new production processes have been developed which build adding step by step layers on the previous ones. These techniques are referred to as 3D printing or Additive Manufacturing (AM). The introduction of metals among the materials available to manufacture parts led to revolutionary developments in the manufacturing field. The first consequence of using such techniques is the freedom of design that can be assigned by the designer, thus implying the production of complex parts. Another benefit is the reduction of waste material. Aerospace and automotive industries are trying to exploit AM, to obtain high performance with weight and cost savings. Full potential of design freedom can be realised by making effective use of topology optimization (TO). It helps to reduce the weight of the structures while keeping the same performance, or even enhancing it. However, the potential of TO can be only exploited if combined with AM, since the results given by the topology optimization simulations are sometimes complex shapes, which can be produced only by the AM process regardless of the layout of the part being fabricated. In this project the optimization of an automotive upright is performed, in order to take advantage to reduce its weight. An investigation of topology optimization results carried out on Alumec 89 (the original material for the upright), titanium alloy Ti6Al4V and steel AISI 4142 is performed. The aim is to reduce weight and improve the performance by changing to titanium, but other aspects need to be taken into account. If the reduction of weight is not followed by effectiveness from the technical and economical point of views, the design option cannot be selected. The aim is to also investigate if an optimization on the aluminium component gives feasible results, or changing to steel can be an economical option even with an increase in the weight. In the first part of the present work topology optimization approach is presented. Then the advantages of combining TO and AM are highlighted. Following this the challenge in design of the upright is presented along with description of materials investigated for its design. In addition, the cost and environmental impact considerations are also discussed. In the second part, which is the experimental one, at first the software explored for performing the optimization are presented: Siemens NX 8.5, Inspire 2015, ParetoWorks 2016 within Solidworks, ANSYS 14.0, Within 2016. Afterwards the design analysis settings, along with the results coming from each software (benefits and limitations as well) are described. The best software will be chosen, according to the preset objectives. SolidThinking Inspire 2015 turned out to be the best TO software, since it is able to cover most of the steps through the concept of the design to the actual production of the component. In addition, the material that suits the most to this work is aluminium alloy. It can withstand the stress acting on the component (even after material reduction), it is a material with no high price and it can be easily recycled.Under de förgångna åren har nya produktionsprocesser framkallats som bygger att tillfoga steg-för-steg lager på de föregående. Dessa tekniker kallas Friformsframställning (FFF). Inledningen av metaller bland de tillgängliga materialen som tillverkar delar som ledas till revolutionära utvecklingar i det fabriks- fältet. Den första följden av att använda sådana tekniker är friheten av designen, som kan tilldelas av disegneren som således antyder produktionen av komplexa delar. En annan fördel är förminskningen av förlorat material. Rymd och bilindustrier försöker att exploatera FFF, att erhålla hög kapacitet med vikt och att kosta besparingar. Full spänning av designfrihet kan realiseras, genom att göra effektivt bruk av topologioptimering (TO). Den hjälper att förminska vikten av strukturerna, medan hålla den samma kapaciteten eller förhöja även den. Hursomhelst, spänningen av TO kan endast exploateras, om kombinerat med FFF, sedan resultaten som ges av topologioptimeringsimuleringarna, är ibland komplexa former, som kan produceras endast av FFF-processen utan hänsyn till orienteringen av delen som fabriceras. I detta projekt utförs optimizationen av en automatisk styrspindel, för att ta fördel för att förminska dess vikt. En utredning av topologioptimeringresultat bar ut på Alumec 89 (det original- materialet av spindeln), titanlegeringen Ti6Al4V, och stål AISI 4142 utförs. Syftet är att förminska vikt och förbättra kapaciteten, genom att ändra till titan, men andra aspekter behöver tas in i konto. Om förminskningen av vikt inte följs av effektivitet från den tekniska och ekonomiska punkten av sikter, kan designalternativet inte vara utvalt. Syftet är också att utforska, om en optimization på den aluminium delen ger görliga resultat, eller att ändra till stål kan vara ett ekonomiskt alternativ även med en förhöjning i vikten. I den första delen av närvarande arbetstopologioptimering framläggas inställningen. Därefter markeras fördelarna av att kombinera TO och FFF. Efter detta framläggas utmaningen i designen av uprighten tillsammans med beskrivning av material som utforskas för dess design. I tillägg diskuteras kostnads- och miljöpåverkanövervägandena också. I den andra delen som är den experimentella, först framläggas programvaran som undersöks för att utföra optimering: Siemens NX 8,5, Inspire 2015, ParetoWorks 2016 inom Solidworks, ANSYS 14,0, Within2016. Därefter beskrivas designanalysinställningarna, tillsammans med resultaten som kommer från varje programvara (fördelar och begränsningar som väl). Den bästa programvaran ska väljas, enligt förinställningsmålen. SolidThinking Inspire 2015 som ut vänds för att vara det bästa TO programvara, sedan det är i stånd till att täcka mest av momenten till och med begreppet av designen till den faktiska produktionen av delen. I tillägg är materialet, som passar mest till detta arbete, den aluminium legeringen. Det kan motstå spänningen som agerar på delen (även efter materiell förminskning), det är ett material med inget högt pris, och det kan lätt återanvändas