Design Approaches on Inner Bodies of Gears with Methods Topology Optimization and Lattice Structures

Year 2022, Issue 39, 85 - 90, 31.07.2022

Behlül BECERGEN Murat ÇAKMAK Muhammed Fatih MARAL Ahmet DAYANÇ Feridun KARAKOÇ

https://doi.org/10.31590/ejosat.1144818

Abstract

Gears have wide range application areas in various industries which no matter they are small-scaled or large-scaled. As a part of their design, gears inner bodies are full filled with their solid material and significantly increase the weight of systems which they used in. If the weight of gears’ body mass can be decrease during their design process, the mechanical properties that expected from the systems can be achieved with the minimum cost of material via additive manufacturing comparing to the traditional manufacturing processes. First ideas which comes to mind presents two choices for the way should follow. This study focused on design optimization of material layout rather than material selection. Generative design technic also known as topology optimization can create new designs via mathematical methods that optimize material layouts within a specific design space. Absolute geometry is depending on various parameters such as given set of loads, boundary conditions and constraints. Alternatively, lattice structures are designs which inspired from bio-entities based on repeating unit cells. As a result of static analysis of a helical gear’ s uniform lattice structure, output parameters have been used for varying unit cells’ beam thickness and optimize lattice design. End of this study which used nTopology as engineering software for whole implicit design and analysis process, the analysis of generative designed geometry and pattern of lattice structure gave different results. These outputs compared on point of weight savings.

Keywords

Helical Gears, Static Analysis, Topology Optimization, Lattice Structures, nTopology

Topoloji Optimizasyonu ve Kafes Yapıları Yöntemleriyle Dişlilerin İç Gövdelerinde Tasarım Yaklaşımları

Abstract

Dişliler, küçük ölçekli veya büyük ölçekli olsun çeşitli endüstrilerde, geniş uygulama alanlarına sahiptir. Tasarımlarının bir parçası olarak dişlilerin iç gövdeleri katı malzeme ile doludur ve kullanıldığı sistemlerin ağırlığını önemli ölçüde arttırır. Dişlilerin gövde kütlelerinin ağırlıkları tasarım sürecinde azaltılabilirse, geleneksel üretim süreçlerine göre eklemeli imalat ile sistemlerden beklenen mekanik özelliklere minimum malzeme maliyeti ile ulaşılabilir. Akla gelen ilk fikirler, izlenmesi gereken yol için iki seçenek sunar. Bu çalışma malzeme seçiminden ziyade, malzeme yerleşiminin tasarımı için optimizasyona odaklanmıştır. Topoloji optimizasyonu olarak da bilinen üretken tasarım tekniği, belirli bir tasarım alanı içindeki malzeme yerleşimlerini optimize eden matematiksel yöntemlerle, yeni tasarımlar oluşturabilir. Mutlak geometri verilen yükler, sınır koşulları ve kısıtlamalar gibi çeşitli parametrelere bağlıdır. Alternatif olarak kafes yapıları, tekrar eden birim hücrelere dayanan ve biyo-varlıklardan ilham alan tasarımlardır. Helisel bir dişlinin iç gövdesine uygulanan uniform kafes yapısının statik analizinin bir sonucu olarak, birim hücrelerin kiriş kalınlığını değiştirmek ve kafes tasarımını optimize etmek için static analizin çıkış parametreleri kullanılmıştır. Tüm tasarım ve analiz süreci için mühendislik yazılımı olarak nTopology'nin kullanıldığı bu çalışmanın sonunda, generatif tasarımlı geometri ve kafes yapı deseninin analizi farklı sonuçlar vermiştir. Bu analiz çıktıları ağırlık tasarrufu açısından karşılaştırılmıştır.

Keywords

Helis dişli, Statik analiz, Topoloji optimizasyonu, Kafes yapılar, nTopology

References

• (2022) The nTopology website. [Online]. Available: https://ntopology.com
• TS 429, Dişli Çarklar -Genel ve Ağır Sanayii Makineleri İçin Silindirik Dişli Çarklar-Modüller, Türk Standartları Enstitüsü, Ankara
• Yaykaşlı H., Kamer M.S., Akay O.E., Kaya A. 2019. Tabla Isıtmalı 3 Boyutlu Yazıcı ile Farklı Yazdırma Hızlarında Üretilen PLA Malzemelerin Mekanik Özelliklerinin İncelenmesi. International Symposium on Advanced Engineering Technologies, 2-4 Mayıs 2019, Kahramanmaraş, 1194-1199.
• Ramadani R., Belsak A. Kegl M. Predan J. Pehan S. 2018. Topology Optimization Based Designof Ligthweight and Low Vibration Gear Bodies. Int J. Simul. Model, 17 (1): 92-104.
• Kaya N., Karen İ., Öztürk F. 2010. Re-Design of a Failed Clutch Fork Using Topology and Shape Optimization by the Response Surface Method, Materials and Design, 31: 3008-3014.
• DIN 3961, (1978), Tolerances for Cylindirical Gear Teeth, Deutsches Institut für Normung, Germany.