Design of functionally graded parts for additive manufacturing : Methods and tools for variable density Triply Periodic Minimal Surfaces - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2022

Design of functionally graded parts for additive manufacturing : Methods and tools for variable density Triply Periodic Minimal Surfaces

Conception de pièces à gradient fonctionnel pour la fabrication additive : Méthodes et outils pour des surfaces minimales triplement périodiques à densité variable

Résumé

Wire and Arc Additive Manufacturing (WAAM) is a novel fabrication technology capable of constructing three-dimensional parts by stacking weld beads of metallic wire. In general, these processes present higher manufacturing speed, the possibility to create large parts due to their no-limitation regarding chamber volume and high material efficiency, compared to other metallic additive manufacturing technologies. In addition, the capability of a local deposition of material allows the production of lightweight parts by overpassing areas of low stress, which are rarely eliminated due to accessibility restriction. The opportunity to produce lightened parts remains, however, little exploited today in WAAM.Classical design tools for additive manufacturing, such as Topological Optimization (TO), can provide information on an "optimal" material distribution with respect to the required mechanical behaviour, but the resulting geometry is generally not fabricable due to the high manufacturing constraints associated with WAAM. Consequently, the objective of this thesis is to propose a design approach to create a piece as a combination of individually fabricable patterns, adapted to a discrete density map obtained from TO or Finite Element Analysis (FEA) procedures. The thesis work will focus on showing the feasibility of this approach, which involves the: modelling of generic pattern models, consisting of a parametric shape to which are associated the manufacturing conditions; defining parameters for density variation, to adapt the patterns’ structure to a predefined density value; developing gradient density structures, covering at best an initial density map resulting from TO or FEA procedures and evaluating the modelling processes in different case studies, to assess the required mechanical performance.Accordingly, an in-depth study of the use of Primitive and Gyroid Triply Periodic Minimal Surface (TPMS) as generic patterns for cellular constructs is presented, based on a previous identification of favourable manufacturing conditions on WAAM. The adaptability of the patterns’ density to their design parameters is an important step to relate the structure's modelling and the required local density values. Thus, equations for the patterns’ relative density as a function of their thickness and unit-cell size are developed and analysed. The modelling of Functionally Graded Cellular Materials (FGCM) based on TPMS patterns is accomplished by a proposed design methodology capable of creating a variable density construct three scenarios: TPMS pattern density variation by local thickness adjustment, by unit-cell length modification, and by a simultaneous thickness and length change. Ultimately, the proposed methodology is tested on a cantilever beam filled with a graded density TPMS structure. Furthermore, a set of tools for the design of FGCM based on Primitive and Gyroid TPMS patterns was also developed as a custom-built “BeShape” plug-in for the Grasshopper visual-programming environment of Rhinoceros 7 CAD suite.
La fabrication additive par fil et arc (WAAM) est une nouvelle technologie de manufacture capable de construire des pièces tridimensionnelles en empilant des cordons de soudure de fils métalliques. En général, ces procédés présentent une vitesse de fabrication plus élevée, la possibilité de créer des pièces de grande taille grâce à l'absence de limitation du volume de la chambre et un rendement élevé des matériaux, par rapport aux autres technologies de fabrication additive métallique. En outre, la possibilité d'un dépôt local de matériau permet de produire des pièces légères en contournant les zones de faible contrainte, qui sont rarement éliminées en raison d'une restriction d'accessibilité. L'opportunité de produire des pièces allégées reste cependant peu exploitée aujourd'hui en WAAM.Les outils classiques de conception pour la fabrication additive, tels que l'Optimisation Topologique (TO), peuvent fournir des informations sur une distribution "optimale" des matériaux par rapport au comportement mécanique requis, mais la géométrie résultante n'est généralement pas manufacturable en raison des fortes contraintes de fabrication associées au WAAM. Par conséquent, l'objectif de cette thèse est de proposer une approche de conception permettant de créer une pièce en combinant des modèles pouvant être fabriqués individuellement, adaptés à une carte de densité discrète obtenue à partir de procédures de TO ou d'analyse par éléments finis (FEA). Le travail de thèse se concentrera sur la démonstration de la faisabilité de cette approche, qui implique : la modélisation de modèles de motifs génériques, consistant en une forme paramétrique à laquelle sont associées les conditions de fabrication ; la définition de paramètres pour la variation de la densité, afin d'adapter la structure des motifs à une valeur de densité prédéfinie ; le développement de structures à gradient de densité, couvrant au mieux une carte de densité initiale résultant de procédures TO ou FEA et l'évaluation des processus de modélisation dans différentes études de cas, afin d'évaluer la performance mécanique requise.En conséquence, une étude approfondie de l'utilisation de surfaces minimales triples périodiques (TPMS) Primitives et Gyroïdes comme modèles génériques pour les constructions cellulaires est présentée, sur la base d'une identification préalable des conditions de fabrication favorables sur WAAM. L'adaptabilité de la densité des motifs aux paramètres de leur conception est une étape importante pour relier la modélisation de la structure et les valeurs de densité locale requises. Ainsi, des équations pour la densité relative des motifs en fonction de leur épaisseur et de la taille des cellules unitaires sont développées et analysées. La modélisation des matériaux cellulaires à gradient fonctionnel (FGCM) basés sur des motifs TPMS est accomplie par une méthodologie de conception proposée capable de créer une densité variable en construisant trois scénarios : Variation de la densité des motifs TPMS par ajustement local de l'épaisseur, par modification de la taille des cellules unitaires, et par un changement simultané de l'épaisseur et de la taille. Enfin, la méthodologie proposée est testée sur une poutre cantilever remplie d'une structure TPMS à densité graduelle. En outre, un ensemble d'outils pour la conception de FGCM basés sur des modèles TPMS Primitifs et Gyroïdes a également été développé sous la forme d'un plug-in "BeShape" personnalisé pour l'environnement de programmation visuelle Grasshopper de la suite CAO Rhinoceros 7.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04021430 , version 1 (09-03-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04021430 , version 1

Citer

Emilio Adrian Ramirez Salazar. Design of functionally graded parts for additive manufacturing : Methods and tools for variable density Triply Periodic Minimal Surfaces. Material chemistry. Université Grenoble Alpes [2020-..], 2022. English. ⟨NNT : 2022GRALI077⟩. ⟨tel-04021430⟩
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