Eklemeli imalat prosesinde yapı oryantasyonunun çok-amaçlı optimizasyonu

Abstract

Eklemeli imalat, doğrudan bilgisayar destekli tasarım verisinden katman üzerine katman ekleyerek üç boyutlu parçalar oluşturmaya dayanan bir üretim teknolojisidir. Topoloji optimizasyonu sonucu elde edilen veya latis yapılarından oluşan, geleneksel üretim yöntemleri ile üretilmesi mümkün olamayan, hafifletilmiş tasarımların üretilmesinde önemli bir avantaj sağlamaktadır. Son yıllarda eklemeli imalat teknolojilerinden biri olan lazer ile toz yatağı füzyonu prosesi, işlevsel ve yüksek kaliteli metalik parçaların üretimi ile başta havacılık sanayi olmak üzere birçok endüstride kullanılmaktadır. Üç boyutlu parçanın yapı oryantasyonu, parça kalitesi, atık miktarı, üretim süresi ve maliyet gibi birçok faktör üzerinde büyük bir etkiye sahiptir. Bu çalışmada, destek yapısı miktarı ve üretim süresi gibi birbiriyle çelişebilecek iki farklı amaç fonksiyonunu eş-zamanlı olarak optimize etmek için, bir çok-amaçlı optimizasyon algoritması olan bastırılmamış sınıflandırmalı genetik algoritma-II kullanılmıştır. Destek yapısı hacmini ve teknolojinin mevcut durumunu yansıtan üretim süresini hesaplamak için tahmin yöntemleri geliştirilmiştir. Geliştirilen yöntemle yapı oryantasyonu karmaşık bir parça için optimize edilmiştir ve alternatif sonuçlar görselleştirilerek değerlendirilmiştir. Geliştirilen karar-verme yöntemi ile amaç fonksiyonlarının farklı ağırlıklarına bağlı olarak üç optimum alternatif yapı yönelimi seçilmiştir. Yapı oryantasyonu sürecini doğru bir şekilde gerçekleştirmek için gereken eklemeli imalat için tasarım bilgisi, üretim öncesi işlemlerin otomatikleştirilmesiyle, ortadan kaldırılmıştır. Böylece, destek yapısı hacmini ve üretim süresini en aza indirerek yüksek proses maliyetlerine sahip olan lazer ile toz yatağı füzyonu prosesinin erişilebilirliğine ve sürdürülebilirliğine katkı sağlanmıştır.

Additive manufacturing is a production technology based on creating three-dimensional parts directly from computer-aided design data layer-by-layer. This technology provides a significant advantage in producing topologically optimized or lattices applied lightweight designs that cannot be produced with conventional manufacturing methods. In recent years, it has been used in many industries, especially in the aerospace and medical industry, with the production of functional, high-quality metallic parts with the powder bed fusion process by laser, which is one of the additive manufacturing technologies. The build orientation of the three-dimensional part has a major impact on many factors such as part quality, waste amount, production time, and cost. In this study, a multi-objective optimization is carried out using non-dominated sorting genetic algorithm-II to simultaneously optimize different objectives that may conflict with each other, such as the amount of support structure and build time. Estimation methods are developed for computing the amount of support structure and the build time, which reflect the current state of the technology. With the developed method, build orientation is optimized for a complex part, and the wide range of alternative results are visualized and evaluated. Three optimum alternative build orientations are selected depending on different weights of objectives by developed decision-making mechanism. The design for additive manufacturing knowledge required to perform the build orientation process correctly is eliminated by automating the pre-processing stage. Therefore, the contribution is made to the accessibility and sustainability of the powder bed fusion process by laser, which has high process costs by minimizing support structure volume and build time.