Utilizing additive manufacturing for designing aerospace components via topology optimization

Abstract

Katmanlı İmalat (AM), birçok endüstride hızla yaygınlaşmakta ve avantajlarıyla geleneksel üretim yöntemlerine alternatif olmaya başlamaktadır. Tek başına bir imalat yöntemi olmayacaktır fakat her geçen gün artan malzeme çeşitliliğiyle birlikte, özellikle karmaşık şekillerin üretiminde oldukça önemli rol almaktadır. AM teknolojisi geliştikçe Topoloji Optimizasyon (TO) programlarının önemi de artmaktadır. Belirli bir yük, sınır koşulları ve kısıtlamalar kümesi için belirli bir tasarım uzayı içinde malzemelerin düzenlenmesini optimize eden matematiksel bir yöntem olan TO ile daha hafif ve daha güçlü parçalar tasarlanabilirken, bu tasarımlardan bazıları geleneksel imalat yöntemlerine uygun geometrilerde değillerdir. Günümüzde mekanik tasarım mühendisleri AM ile birlikte TO imkanlarından daha fazla yararlanılabilmektedir. Bu çalışmanın amacı bir turbodizel havacılık motorunda kullanılan braket parçalarının AM ile üretilebilecek bir şekilde TO analiz çalışması yapılmasıdır. Çalışma kapsamında braketlere öncelikle mevcut durumlarıyla mukavemet analizi yapılmıştır. Sonrasında iki adet braket parçası, tek parça olacak şekilde TO analizleri yapılmıştır. Aynı zamanda parçanın ağırlığının düşmesi fakat dayanımının azalmaması beklenmiştir. Elde edilen optimize parçaya karşılaştırma amaçlı tekrar mukavemet analizi yapılmıştır. Braketlerin analiz çalışması ANSYS Workbench aracılığıyla yapılmıştır. Çalışma sonucunda daha hafif, kolay montajlanabilir, AM ile imal edilebilir, iki parça yerine tek parça olan braket tasarımı yapılmıştır ve tasarımın, optimize edilmemiş geometriye göre mukavemet açısından bir eksiğinin olmadığı gösterilmiştir.Additive Manufacturing (AM) is rapidly becoming widespread in many industries and starting to be an alternative to traditional production methods with its advantages. AM will not be a production method on its own, but with the increasing variety of materials, it plays a very important role in the production of especially complex shapes. As AM technology develops, the importance of Topology Optimization (TO) softwares also increases. While lighter and stronger parts could be designed with TO, a mathematical method that optimizes the arrangement of materials within a given design space for a given set of loads, boundary conditions and constraints, some of these designs could not be in a geometry to be manufactured with traditional manufacturing methods. Nowadays, mechanical design engineers can make more use of TO opportunities with AM. The aim of this study is to analyze the bracket parts used in a turbodiesel aviation engine in a way that can be produced with AM. Within the scope of the study, first of all, static structural analysis of the brackets was made with their current condition. Then, TO analyzes were made as two bracket pieces as one piece. Besides it was expected that the weight of the part would decrease without affecting its strength. Static structural analysis was performed again for the purpose of comparison on the obtained optimized part. The analysis of the brackets was conducted via ANSYS Workbench. As a result of the study, a lighter, easily mountable, via AM can be manufactured, one-piece bracket design has been made instead of two parts, and it has been shown that the design does not have a weakness in terms of strength compared to the non-optimized geometry.