Design for additive manufacturing of the Turbojet engine part via topology optimization and structural analysis

Abstract

Eklemeli imalat, geleneksel yöntemlerle üretilemeyen karmaşık şekillerin üretilebilmesi ve yüksek mukavemetli malzemelerin kullanılabilmesi avantajları ile havacılık ve uzay endüstrisinde hızla yaygınlaşmaktadır. Eklemeli imalatta, topoloji optimizasyonu ile geometri optimizasyonu ve ağırlık azaltımı mümkün olmaktadır. Bu çalışmanın amacı, jet motorunda kullanılan türbin bliskleri için daha güçlü ve daha hafif tasarımlar yapabilmek için Topoloji Optimizasyonu'nu bir araç olarak kullanma olanaklarını araştırmaktır. Bu kapsamda seçilen türbin blisk parçası topolojik olarak optimize edilmiş ve eklemeli imalata uygun olarak yeniden tasarlanmıştır. Model boyutunu ve analiz süresini kısaltmak için analizlerde komple geometri yerine bütün yapıyı temsil eden bir sektör kullanılmıştır. Optimize edilen parça, yüksek çalışma sıcaklığından dolayı Doğrudan Metal Lazer Sinterleme (DMLS) ile Inconel 939 malzemeden, orijinal parça ise bilgisayarlı sayısal kontrol (CNC) işleme prosesi ile Inconel 738LC malzemeden üretilmiştir. Üretim parçasının montaj temas yüzeyleri, mühendislik ihtiyacına göre gerekli geometrik toleransları elde edecek şekilde işlenmiştir. Doğrulama analizi için optimize edilmiş parçanın yeniden modellenmesi bir CAD yazılımında gerçekleştirilmiştir. Yeniden modellenen geometrinin statik yapısal analizinde von-Misses gerilme kriterleri kullanılmış ve gerilmeler malzemenin maksimum çekme mukavemeti (UTS) değerinin altında kalacak şekilde değerlendirilmiştir. Bu optimizasyon çalışması ile mekanik ihtiyaçlar karşılanırken %14,5 hacim azalması sağlanabilmiştir. Eklemeli imalat üretim süreci, üretimden önce parçanın hatasız üretilebilirliğini görmek için modellenmiştir. Bu çalışmada, mekanik performans gereksinimlerini karşılarken ağırlığı azaltmak için bir jet motoru disk geometrisini optimize etmenin mümkün olduğu kanıtlanmıştır. Yüksek çalışma sıcaklığına sahip, yüksek hızlı dönen parçalar üzerindeki yüklerin büyüklüğü yapısal bütünlüğü korurken ağırlık azaltma marjını sınırlandırmaktadır.

Additive Manufacturing (AM) is advancing rapidly in aviation and space industry with the advantage of producing details of complex shapes and high strength materials that can not be produced by traditional methods. Geometry optimization and weight reduction are possible with topology optimization. The aim of this study is to investigate the possibilities of using Topology Optimization as a tool to find stronger and lighter designs for the jet engine turbine blisks. Within this scope selected turbine blisk part was topologically optimized and re-designed for additive manufacturing technology. Single sector instead of full geometry was used in the analysis in order to reduce the model size and analysis time. Optimized part was manufactured from Inconel 939 with direct metal laser sintering (DMLS) due to high operational temperature while original part was manufactured from Inconel 738LC with computer numerical control (CNC) machining process. The assembly contact surfaces of the production part were machined to obtain the required geometrical tolerances according to the engineering requirement. For the validation analysis, the remodeling of the optimized part was carried out in a CAD software. The von-Misses stress criteria was used in the static structural analysis of the re-modelled geometry and the stresses were evaluated to remain below ultimate strength (UTS) value of the material. With this optimization study, 14.5% volume reduction was achieved while mechanical requirements were met. Additive manufacturing process was modelled to see the manufacturability of the part without defects before the production. In this study, optimizing a jet engine disk geometry to get weight reduction while meeting the mechanical performance requirements was proved to be possible. The loads on high speed turning parts with higher operation temperature were great magnitude and that limits the margin on weight reduction while still keeping the structural integrity.