Functional design and manufacturing of 3D multi-material structures using SLS/SLM

Abstract

O design funcional é uma abordagem extremamente desejável para otimizar o desempenho de um produto, minimizando o uso de recursos e custos. No entanto, a adoção do design funcional pode exigir o uso de vários materiais ou uma combinação deles, o que é dificultado pelas tecnologias de fabrico atuais. Os implantes biomédicos, como o implante de anca, são um exemplo paradigmático da necessidade de design funcional. Atualmente, apenas alguns equipamentos comerciais são capazes de usar vários materiais [2, 3]. Além disso, exigem um investimento inicial significativo e são adequados apenas para metais, o que limita a gama de aplicações. Consequentemente, a literatura científica centra-se principalmente na modificação de equipamentos mono-material com sistemas de deposição multi-material [4–9], o que infelizmente também requer soluções manuais para configurar a cadeia de manufatura e o equipamento. Isto é agravado pela falta de diretrizes de projeto específicas para o processo Multi-Material Laser-Powder Bed Fusion (MMLPBF) e pelo fato de que a maioria dos procedimentos de pré-processamento usar um método manual baseado num formato de dados inadequado [10]. A principal conclusão é que o fabrico via MMLPBF é um problema multiobjetivo que requer equipamentos e ferramentas especializadas e design experimental. Assim, o presente trabalho visa reduzir o hiato entre o design e o fabrico de componentes multimaterial, como os implantes de anca, propondo uma abordagem holística para a cadeia de manufatura que possa alavancar o conhecimento do processo e apoiar o design funcional. Foi desenvolvida uma metodologia baseada em modelos para lidar com a elevada complexidade associada ao design e fabrico de componentes multimaterial e colmatar lacunas nesse domínio. O conhecimento adquirido através dos modelos foi usado para a instanciação dum fluxo de trabalho especializado para o processo MMLPBF e o desenvolvimento de ferramentas de software de suporte. Em seguida, foi desenvolvido um equipamento personalizado que integra vários lasers de diferentes tipos, que podem ser efetivamente usados para o fabrico de componentes multimaterial usando pós metálicos, poliméricos e/ou cerâmicos. Pela análise efetuada, trata-se do primeiro equipamento MMLPBF com esta característica. Adicionalmente, esta metodologia extensível pode ser usada para dar suporte a pós-tratamentos dos componentes, tais como tratamentos térmicos, diretamente da fase de modelação. Foram projetados e fabricados vários componentes multimaterial, seguindo a metodologia desenvolvida. Esses testes validaram todo o ecossistema, demonstrando a sua adequabilidade para o suporte do design funcional de componentes multimaterial usando o processo MMLPBF. Por fim, são apresentadas algumas perspectivas para alavancar a base de conhecimento do processo criada, onde ferramentas como a inteligência articial podem ser usadas para melhorar de forma expedita o processo MMLPBF.

Functional design is a highly desirable approach to design, optimising the performance of a product while minimising the resources usage and cost. However, the adoption of functional design may dictate the use of multiple materials or a combination of them, which is hindered by the current manufacturing technologies. Biomedical implants, such as hip implants, represent a class of products where functional design is critical. Currently, only a handful of commercial equipments is capable of multi-material fabrication [2, 3]. Moreover, they require a significant initial investment and are only suited for metals, which limits the scope of applications. Consequently, research primarily focuses on upgrading mono-material equipment to add multi-material capabilities [4–9], which undesirably also requires manual workarounds to setup the manufacturing chain and equipments. This is further aggravated by the lack of specific design guidelines for the MMLPBF process and by the fact that most pre-processing procedures use a manual method based on an inadequate data format [10]. problem, requiring specially designed equipments and toolchains, and experimental design. Thus, the present work aims to close the gap between design and fabrication of multi-material components like the aforementioned implants by proposing a holistic approach to the multi-material fabrication of components incorporating metals, polymers, and/or ceramics that can leverage the process knowledge and support functional design. A model-based methodology was devised to address the high complexity associated with the design and manufacturing of multi-material parts and fill the gap in this domain. The knowledge acquired through the relevant models was used for the instantiation of a specialised workflow for the MMLPBF process and the development of a supporting toolchain. Then, a custom equipment was developed that integrates multiple lasers of different types, which can be effectively used for the fabrication of multi-material components using metallic, polymeric and/or ceramic powders. To the best of the author’s knowledge, this is the first MMLPBF equipment with this feature. Additionally, this extensible framework can be used to support postprocess treatments, such as heat treatments, directly from the modelling stage. Several multi-material components were designed and manufactured following the devised methodology. These tests validated the whole ecosystem, demonstrating its suitability to support the functional design of multi-material components using the MMLPBF process. Lastly, some prospects to leverage the process knowledge database created are presented, where tools like Artificial Intelligence (AI) can be used for straightforward and fast improvement of the MMLPBF process.