Povezivanje funkcija proizvoda i principa konstrukcijskoga oblikovanja po kriteriju prihvatljivosti za aditivnu proizvodnju

Additive Manufacturing (AM) brought new manufacturing capabilities, new and unique design possibilities, and unprecedented design freedom. However, due to the uniqueness of AM, the designers working with AM have trouble designing products that will utilise those benefits. The issue is noticeable when the AM knowledge needs to be applied from the early phases of the design process to influence product functionality and preliminary layout. The research presented in this thesis aims to develop the Mapping Methodology for choosing AM Design Principles (DPs) used for creating a design solution for one or more functions of a product. The methodology aims to help engineers to apply DfAM (Design for Additive Manufacturing) in the early stages of the design process to utilise and implement the unique possibilities of AM. To develop such a methodology, the research is focused on investigating and understanding function modelling of AM products, sources of AM knowledge for early design phases and formalisation of function-to-form relation to be used in new AM product development. The presented research follows the Design Research Methodology. It firstly provides research clarification, followed by a review of relevant literature on DfAM and function modelling. Then an empirical study based on the analysis of the pool of AM products is conducted to improve the understanding of the observed phenomena. Furthermore, based on the theoretical background from the literature review and the results of the empirical study, the Mapping Methodology is presented. The developed Mapping Methodology provides the design support for the early design phases of AM oriented design process by integrating the conceptual and early embodiment design. Through the function modelling and mapping process, the methodology supports function integration and mapping of product functions and AM DPs. Furthermore, it enables the development of concepts that, through the preliminary layout of the form, embody AM based solutions. The results of the research are validated using the case study research method. The validation showed the Mapping Methodology's benefits in the early design phases. Through four case studies, both novice and expert designers successfully used the methodology to develop various concepts of AM products and achieved function integration and embodiment of AM design solutions. The evidence gathered through the validation process supports the research hypothesis that mapping of function model of a product and AM DPs enable function integration and embodiment of design solutions adapted for AM.Aditivna proizvodnja je relativno novi proizvodni postupak, koji je principom proizvodnje gdje se materijal dodaje samo tamo gdje je potrebno kako bi se izradio neki objekt ili proizvod, donio nove jedinstvene mogućnosti i slobodu konstrukcijskog oblikovanja. Jedinstvene mogućnosti aditivne proizvodnje očituju se kroz kompleksnost oblika (moguće je izraditi praktično bilo koji geometrijski oblik), kompleksnost materijala (materijal, svojstva materijala ili boja može se promijeniti u bilo kojoj točki proizvoda), hijerarhijsku kompleksnost (značajke proizvoda mogu biti konstruirane na različitim razinama veličine) i funkcijsku kompleksnost (funkcionalne naprave mogu biti proizvedene u jednom procesu). Svojim mogućnostima aditivna proizvodnja je promijenila način izrade proizvoda, ali i vrste proizvoda koji se izrađuju, te time zahtijeva promjenu načina konstruiranja proizvoda. Kao posljedica tih promjena razvijaju se različite metode i alati konstruiranja po kriteriju prihvatljivosti za aditivnu proizvodnju kao pomoć konstruktorima za implementaciju novih mogućnosti koje aditivna proizvodnja nudi u proizvode koje konstruiraju. Iako postojeće metode konstruiranja po kriteriju prihvatljivosti za aditivnu proizvodnju pokrivaju velik dio procesa konstruiranja, još uvijek imaju mnogobrojne probleme poput nedostatka integracije u zajedničku strukturu procesa konstruiranja, nezavisnost od prijašnjih konstrukcijskih metoda, i ograničenost u jedinstvenom pristupu procesu konstruiranja. One također imaju sklonost usmjeravanja na samo neke potencijale aditivne proizvodnje, kao i usmjerenost na optimizaciju postojećih proizvoda, a ne na stvaranje novih. Dodatni problem postojećih metoda je nedostatak istraživanja utjecaja aditivne proizvodnje na rane faze razvoja proizvoda. Kako bi se premostili navedeni problemi i implementiralo znanje o aditivnoj proizvodnji i njenim mogućnostima u ranim fazama razvoja proizvoda, ovim istraživanjem predložena je nova metodologija mapiranja funkcija proizvoda i konstrukcijskih principa po kriteriju prihvatljivosti za aditivnu proizvodnju. Cilj ovog istraživanja je razvoj metoda i alata za odabir konstrukcijskih principa namijenjenih aditivnoj proizvodnji kojima se oblikuje rješenje jedne ili više funkcija nekog proizvoda. Svrha metoda i alata je pomoć inženjerima u ranim fazama konstrukcijskog procesa za aditivnu proizvodnju kako bi iskoristili i primijenili jedinstvene mogućnosti aditivnih tehnologija tijekom konstruiranja i razvoja proizvoda. Ovim istraživanjem verificira se hipoteza da povezivanje funkcijske dekompozicije proizvoda i konstrukcijskih principa oblikovanja po kriteriju prihvatljivosti za aditivnu proizvodnju tijekom ranih faza konstrukcijskog procesa omogućuje integraciju funkcija i oblikovanje konstrukcijskih rješenja prilagođenih aditivnoj proizvodnji. Kako bi se razvile željene metode i alati u ovom istraživanju korištena je opća metodologija istraživanja u znanosti o konstruiranju (eng. Design Research Methodology). Metodologija se temelji na četiri osnovna koraka: (i) raščišćavanje zahtjeva na istraživanje, (ii) deskriptivno istraživanje I, (iii) preskriptivno istraživanje i (iv) deskriptivno istraživanje II. Raščišćavanje zahtjeva na istraživanje je prvi korak istraživanja u kojem je identificiran i formuliran istraživački problem te definiran plan istraživanja. Ovaj korak je omogućio inicijalno razumijevanje trenutačnog stanja u području istraživanja te je pomogao u identifikaciji istraživačkog problema, formulaciji istraživačkih pitanja i definiranju okvira za provođenje istraživanja. Deskriptivno istraživanje I omogućilo je dubinsko razumijevanje područja istraživanja kroz pregled literature i empirijsko istraživanje. Ovaj korak je pomogao u razumijevanju glavnih čimbenika koji utječu na promatrani fenomen konstruiranja po kriteriju prihvatljivost za aditivnu proizvodnju u ranim fazama razvoja proizvoda. U preskriptivnom istraživanju razvijena je metodologija mapiranja na temelju spoznaja iz prva dva koraka. Zadnji korak istraživanja, deskriptivno istraživanje II, je bio usmjeren na empirijsku evaluaciju razvijene metodologije pomoću kvalitativnih istraživačkih metoda. Doktorski rad strukturiran je tako da prati opisanu metodologiju istraživanja. Rad je podijeljen u devet poglavlja, te ima osam dodataka. Prvo poglavlje i dio drugog poglavlja odgovaraju koraku raščišćavanja zahtjeva na istraživanje. Dio drugog poglavlja i treće poglavlje prikazuju deskriptivno istraživanje I. Četvrto i peto poglavlje opisuju preskriptivno istraživanje, dok preostala poglavlja (šesto, sedmo, osmo i deveto) opisuju provedeno deskriptivno istraživanje II. Prvo poglavlje („Introduction“) je uvodno poglavlje rada koji prikazuje motivaciju za provođenje istraživanja kroz opis potrebe za istraživanjem ranih faza razvoja proizvoda u kontekstu upotrebe aditivne proizvodnje i njenih mogućnosti konstrukcijskog oblikovanja. U motivaciji je naglašena potreba za korištenjem funkcijskog modeliranja prilikom konstruiranja za aditivnu proizvodnju i korištenje prikladnih izvora konstrukcijskog znanja kako bi se omogućila funkcijska integracija i oblikovanje konstrukcijskih rješenja prilagođenih aditivnoj proizvodnji. Ovo poglavlje opisuje ciljeve istraživanja, hipotezu istraživanja, korištenu opću metodologiju istraživanja u znanosti o konstruiranju i očekivani znanstveni doprinos disertacije. Poglavlje završava pregledom ostalih poglavlja doktorskog rada. Drugo poglavlje („Literature Background“) daje pregled relevantne literature o temi istraživanja za područje konstruiranja po kriteriju prihvatljivosti za aditivnu proizvodnju i područje funkcijskog modeliranja kroz četiri pod poglavlja. Prvi dio pregleda literature opisuje tehnologiju aditivne proizvodnje i jedinstvene mogućnosti koje ona pruža u oblikovanju i konstruiranju proizvoda. Drugi dio daje pregled trenutnih postignuća u području istraživanja konstruiranja po kriteriju prihvatljivosti za aditivnu proizvodnju s naglaskom na rane faze procesa razvoja proizvoda. Ovaj dio daje pregled postojećih metodologija, metoda i alata, te izvora znanja o konstruiranju za aditivnu proizvodnju. Treći dio pregleda literature daje pregled dosadašnjih postignuća u funkcijskom modeliranju proizvoda. Naglasak pregleda je na rječnicima za izražavanja funkcija i tokova u funkcijskoj dekompoziciji proizvoda i pravilima za modeliranje funkcijskih dekompozicija. Četvrti dio daje opis postojećih metoda mapiranja funkcija za sintezu i evaluaciju konstrukcija. Poglavlje dva završava opisom identificiranih nedostatka u području istraživanja i formulacijom četiri istraživačka pitanja. • Koje su značajke funkcijskih modela aditivnih proizvoda i kako se trebaju izraziti funkcijske strukture proizvoda izrađenih aditivnom proizvodnjom? • Koji su konstrukcijski principi temeljeni na mogućnostima aditivne proizvodnje? • Koji su odnosi između konstrukcijskih principa i funkcija proizvoda u postojećim proizvodima izrađenima aditivnom proizvodnjom te kako se mogu formalizirati? • Kako se pravila mapiranja mogu primijeniti za omogućavanje integracije funkcija i oblikovanje konstrukcijskih rješenja? Treće poglavlje („Analysis of AM Products & Parts“) opisuje provedeno empirijsko istraživanje. Poglavlje započinje argumentacijom empirijskog istraživanja i postavlja okvir za njegovo provođenje kroz indukcijski pristup korištenjem tri različite analize postojećih proizvoda izrađenih aditivnom proizvodnjom. Drugi dio poglavlja opisuje protokol i kriterije za prikupljanje proizvoda koji su analizirani u ovom istraživanju. Ukupno je prikupljeno i analizirano četrdeset i pet proizvoda izrađenih aditivnom proizvodnjom. Prva provedena analiza je funkcijska analiza koja je omogućila razumijevanje značajki funkcijskih dekompozicija aditivno proizvedenih proizvoda. Druga analiza je omogućila izdvajanje konstrukcijskog znanja o aditivnoj proizvodnji potrebnog u ranim fazama razvoja proizvoda, kasnije formaliziranoga o obliku konstrukcijskih principa po kriteriju prihvatljivosti za aditivnu proizvodnju. Zadnja provedena analiza proučavala je veze između funkcija proizvoda te oblika i značajki proizvoda koji su temeljeni na mogućnostima konstrukcijskog oblikovanja za aditivnu proizvodnju. Formalizacija proučavanih veza omogućila je razvoj pravila mapiranja funkcija proizvoda i konstrukcijskih principa. Četvrto poglavlje („Mapping Methodology“) predstavlja predloženu metodologiju za mapiranje funkcija proizvoda i konstrukcijskih principa po kriteriju prihvatljivosti za aditivnu proizvodnju. Predložena metodologija je razvijena na teorijskoj osnovi predstavljanoj u drugom poglavlju i rezultatima empirijskog istraživanja iz trećeg poglavlja. U ovom poglavlju prvo je predstavljen cjelokupni okvir predložene metodologije koja se sastoji od dvije razvijene metode za podršku funkcijskom modeliranju i procesu mapiranja. Metodologija je postavljena u općenite preskriptivne procese konstruiranja, kao i u specijalizirani proces konstruiranja za aditivnu proizvodnju. Time je pokazana mogućnost integracije predložene metodologije u postojeće konstrukcijske procese i povezivanje s drugim postojećim metodama i alatima za razvoj proizvoda. Opis korištenje metodologije mapiranja prikazan je u dodatku Appendix A. U drugom dijelu poglavlja predstavljena je razvijena metoda za funkcijsko modeliranje proizvoda („Function Class Method“) temeljena na unaprijed definiranim predlošcima funkcijskih blokova. Metoda je podržana definiranim i kategoriziranim pravilima funkcijskog modeliranja i predlošcima funkcijskih blokova koji su prikazani u dodatku Appendix B. U trećem dijelu poglavlja predstavljena je metoda za mapiranje („Mapping Method“). Metoda se temelji na razvijenim pravilima mapiranja (dani u dodatku Appendix D) i razvijenim konstrukcijskim principima po kriteriju prihvatljivosti za aditivnu proizvodnju (dani u dodatku Appendix C). Peto poglavlje („Computational Prototype Framework“) opisuje računalni prototip okoline za podršku povezivanju funkcijske dekompozicije proizvoda i konstrukcijskih principa oblikovanja po kriteriju prihvatljivosti za aditivnu proizvodnju („Function Mapping Application“). Računalni prototip razvijen je kao programski dodatak za MS Visio programsku aplikaciju i pisan je u programskom jeziku Visual Basic for Application. Šesto poglavlje („Case Study Design“) je prvo od dva poglavlja koje opisuju evaluaciju razvijene metodologije mapiranja korištenjem metode studije slučaja. U ovom poglavlju prvo su predstavljene teoretska pozadina metode studije slučaja i argumentacija za korištenje ove metode za evaluaciju metodologije mapiranja. Poglavlje potom opisuje izradu protokola i pripreme studije slučaja te daje opis odabira slučajeva koji su proučavani. Sedmo poglavlje („Case Study Results“) predstavlja drugi dio opisa studije slučaja. U ovom poglavlju opisana i analizirana su četiri različita slučaja. Svaki slučaj je opisan u pojedinačnom izvješću te analiziran tehnikom podudaranja obrazaca. Sedmo poglavlje završava usporednim izvještajem studije slučaja kojim su predstavljen opći zaključci povedene evaluacije opisanom metodom. Svaka od studija slučaja potkrijepljena je dokumentima koji su prikazani u dodacima Appendix E, Appendix F, Appendix G i Appendix H. Rezultati studije slučaja prikazuju uspješno korištenje razvijene metodologije u različitim kontekstima upotrebe, za razvoj pojedinačnih komponenata i sklopova, za razvoj novih proizvoda i redizajn postojećih, kad metodologiju koriste iskusni i neiskusni konstruktori. Rezultati studije slučaja pokazuju da je metodologija omogućila funkcijsku integraciju i oblikovanje konstrukcijskih rješenja prilagođenih aditivnoj proizvodnji te time podupiru postavljenu hipotezu istraživanja. Osmo poglavlje („Discussion“) daje osvrt na provedeno istraživanje. U ovom poglavlju najprije se raspravlja o četiri istraživačka pitanja postavljena na kraju drugog poglavlja. Za prvo istraživačko pitanje pokazano je kako su značajke funkcijskih modela proizvoda izrađenih aditivnom proizvodnjom velik broj tokova mehaničke energije i materijala, te funkcija za prihvat, provođenje i prijenos mehaničke energije. Zbog tih značajki predložena je izrada funkcijskih modela pomoću predložaka funkcijskih blokova kako bi se postigao ujednačeni prikaz funkcijskog modela potrebnog za provođenje procesa mapiranja. Drugo istraživačko pitanje je odgovoreno kroz razvoj trideset i dva konstrukcijska principa po kriteriju prihvatljivosti za aditivnu proizvodnju. Treće istraživačko pitanje identificiralo je veze između funkcija proizvoda i konstrukcijskih principa koje su formalizirane kroz razvoj četrdeset i dva pravila mapiranja. Posljednje istraživačko pitanje je odgovoreno kroz razvoj metodologije mapiranja koja omogućava integraciju funkcija i oblikovanje konstrukcijskih rješenja prilagođenih aditivnoj proizvodnji. Ovo poglavlje završava osvrtom na karakteristike razvijene metodologije i valjanost provedenog istraživanja i rezultata istraživanja pokazujući logičku dosljednost koraka istraživanja. Deveto poglavlje („Conclusion“) je zaključno poglavlje ovog doktorskog rada. Poglavlje sažima provedeno istraživanje i daje osvrt na hipotezu istraživanja i znanstveni doprinos rada. Nakon toga dan je osvrt na ograničenja istraživanja i prijedlog mogućih smjerova budućih istraživanja. Izvorni znanstveni doprinosi ovog doktorskog rada očituju se kroz: 1. Metodologiju za rane faze procesa razvoja proizvoda koja omogućuje povezivanje funkcija proizvoda ili niza funkcija s konstrukcijskim principima oblikovanja po kriteriju prihvatljivosti za aditivnu proizvodnju. 2. Računalni prototip okoline za podršku povezivanju funkcijske dekompozicije proizvoda i konstrukcijskih principa oblikovanja po kriteriju prihvatljivosti za aditivnu proizvodnju temeljem predložene metode sa svrhom integracije funkcija i oblikovanja konstrukcijskih rješenja