Probleem op deze pagina?

Project: AMPLIFY : Additive Manufacturing of PoLymers: Innovating Functionality through reliabilitY

TETRA: Technologie-transfer gerichte projecten door instellingen van hoger onderwijs
01/04/2014
30/06/2016

Ontwerpers en eindgebruikers van functionele kunststofcomponenten

Additieve technieken (Additive Manufacturing – AM) kennen vanwege hun grote vormvrijheid een groeiende populariteit als snelle productietechniek. Zowel voor metalen als kunststoffen heeft de productietechniek al een zekere maturiteit bereikt, geconcretiseerd in verschillende commercieel beschikbare productiemachines, alsook bedrijven die gespecialiseerd zijn in het additief vervaardigen van onderdelen. Voor kunststoffen ligt de belangrijkste toepassing tot op heden in rapid prototyping, het snel vervaardigen van prototypes die inzicht geven in de ruimtelijke vormgeving van een product (‘show and tell’). Meer en meer wil men deze technieken echter ook toepassen voor het vervaardigen van functionele componenten, om zo de stap naar rapid manufacturing te zetten. Het typische voordeel van de additieve productietechnieken, met name het snel verwezenlijken van complexe geometrieën, biedt een ontwerpvrijheid die uiterst relevant is in de context van de steeds meer doorgedreven optimalisatie van mechanische componenten. Met het oog op een low carbon footprint ligt de klemtoon bij het ontwerp van deze componenten immers meer en meer op minimaal materiaalgebruik. Maar tegelijk dient ook de betrouwbaarheid van de component onder de optredende functionele belasting gegarandeerd te worden. Dit zijn vaak concurrerende ontwerpvereisten, waarbij de ontwerpmethodes voor additief gevormde kunststoffen vandaag de dag weinig houvast bieden.

Het ontwerp en de productie van betrouwbare functionele componenten vereist een zeer goed inzicht in het gedrag van de component onder de effectief optredende belasting waaraan het tijdens zijn levensduur wordt blootgesteld. De veiligheidsfactoren die in de praktijk vaak een eventueel gebrek aan dit inzicht compenseren leiden niet zelden tot een belangrijke over- dimensionering van de component. In de context van additieve technieken zou dit de materiaalbesparing door het gebruik van geoptimaliseerde geometrieën weer teniet doen. Anderzijds is het wel noodzakelijk om voldoende veiligheid in te bouwen om eventuele variabiliteit in het materiaalgedrag op te vangen.

Het objectief van dit project is daarom om gevalideerde ontwerphulpmiddelen te ontwikkelen voor ontwerpers, gebruikers en producenten van additief gevormde kunststofonderdelen die de toepassing van AM technieken voor betrouwbare functionele componenten moeten
ondersteunen. Dit gebeurt door inzicht te ontwikkelen in het gedrag van het onderdeel en de mogelijke variabiliteit hierop onder typische mechanische belastingssituaties. Specifiek richt het project zich op het inventariseren en verifiëren van de relevante mechanische eigenschappen van deze onderdelen zoals sterkte en stijfheid in realistische functionele omstandigheden, om deze dan vervolgens te vertalen naar gevalideerde ontwerp- en berekeningsprincipes. De doelstelling is om de inzichten en methodes aan te reiken die toelaten om in een ontwerpfase een realistische inschatting te maken van de mechanische belastbaarheid van de component in een functionele situatie, zodat veiligheidsfactoren in het ontwerp realistisch ingeschat en tegelijk tot een minimum herleid kunnen worden. Het project richt zich daarbij in het bijzonder tot de kleine gebruikers die de stap naar de toepassing van AM technieken overwegen, maar hun gangbare ontwerpprincipes niet kunnen inzetten vanwege het gebrek aan kennis van de relevante materiaaleigenschappen die de verschillende ontwerpkeuzes naar geometrie en productieproces beïnvloeden.

Hierbij gaat specifiek aandacht naar:
• de invloed van de aard van het additief productieproces (Selective Laser Sintering - SLS, Fused Deposition Modeling - FDM) op de belastbaarheid van de componenten
• de invloed van de keuze van de bouwrichting op de belastbaarheid van de componenten
• de spreiding in het gedrag van een nominaal identieke additief gevormde component
onder mechanische belasting
• de weerslag van deze factoren op de ontwerpmethodologie

De functionele mechanische eigenschappen met betrekking tot sterkte, stijfheid en vermoeiing van 3D geprinte kunststoffen werden in kaart gebracht. Een uitgebreide testpopulatie werd aangemaakt en getest volgens gestandaardiseerde procedures. Hieruit werden de mechanische eigenschappen, alsook besluiten met betrekking tot isotropie en variabiliteit getrokken. Deze vaststellingen werden gevalideerd op basis van benchmark en case studies. De bevindingen werden samengebracht in een materialendatabase en een design guide die een ontwerper moeten bijstaan in het definiëren van betrouwbare functionele kunststofcomponenten. Toegang tot de databank alsook de design guide kan (tegen vergoeding) bekomen worden via de contactpersoon van dit project.

KU Leuven, Thomas More
KU Leuven
David Moens
Analyses / Testfaciliteiten en Methodes, Assessment of Risk, Design and Modelling / Prototypes, Kunststoffen, Polymeren
David Moens, Louis Peeraer
Luc Verhoeven (Just Innovation), Luc Larmuseau (iLLumoo)
http://amplify.mech.kuleuven.be
Share this on