Stress Focused Infill Optimization In Additive Manufacturing For An Office Chair Armrest

Öz

In this study; an office chair armrest produced with Fused Deposition Modeling, which is one of the additive manufacturing methods, in a way to meet the requirements of TS EN 1335 standard; design, analysis, optimization and testing were carried out. The design of the armrest model was made according to the standard requirements, and two different optimization studies were carried out for the inner volume of the armrest model, with a 50% density rate. These optimization studies; optimization study of suitable outer section thickness and inner cellular size change in which the inner armrest filling shows the homogeneous distribution, and optimization studies where the regions with high stress on the armrest are defined as full and other regions as homogeneous low density. In the homogeneous density optimization study, it was observed that small improvements could be made in the armrest model according to the finite element analysis results; however, with the determined filling ratio, an appropriate result that does not exceed safe limit stress values could not be obtained. In the regional density optimization study, generally lower stress values were obtained than the homogeneous density optimization study according to the finite element analysis results. The model obtained gave a relevant result according to the determined safe stress criteria. The production of this armrest model for which the relevant result is obtained has been realized, then it is subjected to validation tests. As a result of the validation tests, the model fulfilled the requirements.

Anahtar Kelimeler

• Additive manufacturing
• structural optimization
• finite element analysis
• TS EN 1335 armrest test

Bir ofis koltuğu kolçağı için eklemeli imalatta gerilme odaklı iç dolgu optimizasyonu

Öz

Bu çalışmada; katmanlı imalat yönteminden biri olan Ergiyik Biriktirmeli Modelleme ile üretilen bir ofis koltuğu kolçağının, TS EN 1335 Standardı gerekliliklerini karşılayabilecek şekilde; tasarım, analiz, optimizasyon ve testleri gerçekleştirilmiştir. Kolçak modelinin tasarımı standart gerekliliklerine göre yapılarak, %50 doluluk oranına sahip olacak şekilde kolçak modeli iç hacmi için iki farklı optimizasyon çalışması yapılmıştır. Bu optimizasyon çalışmaları; kolçak iç dolgusunun homojen dağılım gösterdiği uygun dış kesit kalınlığı ile iç hücresel boyut değişiminin optimizasyon çalışması ve kolçak üzerindeki gerilimin yüksek olduğu bölgelerin dolu ile diğer bölgelerin homojen düşük yoğunluklu olarak tanımlandığı optimizasyon çalışmalarıdır. Homojen yoğunluklu optimizasyon çalışmasında; sonlu elemanlar analizi sonuçlarına göre kolçak modelinde iyileştirmeler yapılabileceği gözlenmiş; fakat belirlenen doluluk oranı ile emniyetli sınır gerilme değerlerini aşmayan uygun sonuç elde edilememiştir. Bölgesel yoğunluklu optimizasyon çalışmasında ise; sonlu elemanlar analizi sonuçlarına göre genel olarak homojen yoğunluklu optimizasyon çalışmasından daha düşük gerilme değerleri elde edilmiştir. Elde edilen model belirlenen emniyetli gerilme kriterine göre de uygun sonuç vermiştir. Uygun sonucun elde edildiği bu kolçak modelinin üretimi gerçekleştirilmiş; ardından doğrulama testlerine tabi tutulmuştur. Testler sonucunda, bölgesel yoğunluklu iç hacme sahip modelin gereklilikleri yerine getirdiği görülmüştür.

Anahtar Kelimeler

• Katmanlı imalat
• yapısal optimizasyon
• sonlu elemanlar analizi
• TS EN 1335 kolçak testi

Teşekkür

Bu çalışma, yazardan Süleyman Kuş'a ait Yüksek Lisans Tez çalışmasından üretilmiştir. Ayrıca bu araştırma, Ermetal Şirketler Grubu tarafından da desteklenmiş olup desteklerinden dolayı yazarlar teşekkür etmektedir.

Kaynakça

1. 1. Attaran M., The rise of 3-D printing: The advantages of additive manufacturing over traditional manufacturing. Business Horizons, 60(5): 677-688, 2017.
2. 2. Reports and Data. Additive Manufacturing Market Analysis By Material Type (Metals, Thermoplastics, Ceramics, Others), By Metal Type (Titanium, Stainless Steel, High-Performance Alloys, Aluminum, Precious Metals, Others), By Polymer Type, By Ceramics Type, By Process, By End-use, And Segment Forecasts To 2027. https://www.reportsanddata.com/report-detail/additive-manufacturing-market. Yayın tarihi Temmuz, 2020. Erişim tarihi Eylül 10, 2020.
3. 3. Thomas D.S., Gilbert S.W., Costs and Cost Effectiveness of Additive Manufacturing: A Literature Review and Discussion, National Institute of Standards and Technology, National Institute of Standards and Technology - U.S. Department of Commerce, Amerika Birleşik Devletleri, 2014.
4. 4. Gibson I., Rosen D., Stucker B., Additive Manufacturing Technologies: 3D Printing Rapid Prototyping and Direct Digital Manufacturing. Springer, New York, A.B.D., 2015.
5. 5. Wilkhahn. Printstool One - 3D printed stool. https://www.wilkhahn.com/en/products/conference-and-visitor-chairs-seating/printstool/. Erişim tarihi Eylül 10, 2020.
6. 6. 3dprint. IKEA Debuts 3D Printed Gaming Chair Prototype, Developed in Collaboration with UNYQ and Area Academy. https://3dprint.com/216438/3d-printed-gaming-chair/. Yayın tarihi Haziran 12, 2018. Erişim tarihi Eylül 10, 2020.
7. 7. Keshavamurthy R., Tambrallimath V., Saravanabavan D., Development of Polymer Compositesby Additive Manufacturing Process. Reference Module in Materials Science and Materials Engineering, 2021.
8. 8. 3dhubs. How to design parts for FDM 3D printing. https://www.3dhubs.com/knowledge-base/how-design-parts-fdm-3d-printing/. Erişim tarihi Eylül 10, 2020.

9. 9. 3dhubs. 3D Printing. https://www.3dhubs.com/guides/3d-printing/. Erişim tarihi Eylül 10, 2020.
10. 10. PechoP., Ažaltovič V., Kandera B., Bugaj M., Introduction study of design and layout of UAVs 3D printed wings in relation to optimal lightweight and load distribution. Transportation Research Procedia, 40: 861–868, 2019.
11. 11. Aydın M., YıldırımF., Çantı E., Farklı Yazdırma Parametrelerinde PLA Filamentin İşlem Performansının İncelenmesi. International Journal of 3D Printing Technologies and Digital Industry, 3(2): 102-115, 2019.
12. 12. Kuznetsov V.E., Solonin A.N., Urzhumtsev O.D., Schilling R., Tavitov A., Strength of PLA Components Fabricated with Fused Deposition Technology Using a Desktop 3D Printer as a Function of Geometrical Parameters of the Process. Polymers, 10(3):313, 2018.
13. 13. Chacón J.M., Caminero M.A., García-Plaza E., Núñez P.J., Additive manufacturing of PLA structures using fused deposition modelling: Effect of process parameters on mechanical properties and their optimal selection. Materials and Design, 124: 143–157, 2017.
14. 14. Li D., Liao W., Dai N., Dong G., Tang Y., Xie Y.M., Optimal design and modeling of gyroid-based functionally graded cellular structures for additive manufacturing; Computer-Aided Design, 104: 87–99, 2018.
15. 15. Hackaday. Finite Element Analysis Results in Smart Infill. https://hackaday.com/2019/02/06/finite-element-analysis-results-in-smart-infill/. Erişim tarihi Eylül 10, 2020.
16. 16. Wang Y., Li S., Yu Y., Xin Y., Zhang X., Zhang Q., Wang S., Lattice structure design optimization coupling anisotropy and constraints of additive manufacturing. Materials and Design, 196: 109089, 2020.
17. 17. Materialise. Design Guidelines - ABS – FDM. https://www.materialise.com/en/manufacturing/materials/ abs/design-guidelines. Erişim tarihi Eylül 10, 2020.
18. 18. Esun. Download center. http://www.esun3d.net/DownLoad/. Erişim tarihi Eylül 10, 2020.
19. 19. Farah S., Anderson D.G., Langer R., Physical and mechanical properties of PLA, and their functions in widespread applications — A comprehensive review. Advanced Drug Delivery Reviews, 107: 367–392, 2016.
20. 20. Türk Standartları Enstitüsü. TS EN 1335-1 Büro mobilyası-Büro çalışma sandalyesi standardı - Bölüm 1: Boyutlar-Boyutların tayini. https://tse.org.tr/. Yayın tarihi Temmuz 2, 2020. Erişim tarihi Eylül 10, 2020.
21. 21. Bürosit Büro Donanımları San. ve Tic. A.Ş. Dorado Ofis Koltuğu. Türk Patent Enstitüsü Tasarım Tescil No: 2020 00596, 2020 00597, https://online.turkpatent.gov.tr/. Erişim Tarihi: 10.09.2020.
22. 22. Türk Standartları Enstitüsü. TS EN 1335-2 Büro mobilyası-Büro çalışma sandalyesi standardı - Bölüm 2: Emniyet gerekleri. https://tse.org.tr/ . Yayın tarihi Mart 19, 2020. Erişim tarihi Eylül 10, 2020.
23. 23. Ansys. Constitutive Modeling of 3D Printed FDM Parts: Part 2. https://www.ansys.com/blog/constitutive-modeling-of-3d-printed-fdm-parts. Yayın tarihi Ocak 23, 2016. Erişim tarihi Eylül 10, 2020.
24. 24. Zhao Y., Chen Y., Zhou Y., Novelmechanicalmodels of tensile strength and elastic property of FDM AM PLA materials: Experimental and theoretical analyses. Materials and Design, 181: 108089, 2019.
25. 25. Park J., Topology Optimization to Design Bone Replacement Shapes in Craniofacial Reconstructive Surgery: Design, Simulation and Experimental Validation. Yüksek Lisans Tezi, Ohio Eyalet Üniversitesi, Makine Mühendisliği Yüksek Lisans Programı, Ohio, 2013.
26. 26. The3dbros. 3D Print Infill Patterns Explained. https://the3dbros.com/3d-print-infill-patterns-explained/. Yayın tarihi Ocak 2020. Erişim tarihi Eylül 10, 2020.
27. 27. Wang Y., Zhang L., Daynes S., Zhang H., Feih S., Wang M.Y., Design of graded lattice structure with optimized mesostructures for additive manufacturing. Materials and Design, 142: 114–123, 2018.