Σχεδιασμός και Χύτευση Ακριβείας Μεταλλικών Κυλινδρικών Πλεγματοειδών Δομικών Στοιχείων

Abstract

Η ανάγκη για την κατασκευή προΪόντων τα οποία θα είναι ανταγωνιστικά τόσο ως προς την ποιότητα όσο και ως προς την τιμή καθιστά απαραίτητη την ανάγκη για σχεδιασμό και κατασκευή νέων δομικών στοιχείων τα οποία θα ανταποκρίνονται σε αυτές τις απαιτήσεις.΄Έτσι, χωρίζοντας την μελέτη για τέτοια δομικά στοιχεία σε τρία διαφορετικά μέρη έχουμε κατά σειρά το σχεδιασμό και την μελέτη, την προσομοίωση της χύτευσης ακριβείας με την οποία θα κατασκευαστούν τα δομικά στοιχεία και τέλος την κατασκευή πρωτότυπων πλεγματικών στοιχείων με χρήση τωn αποτελεσμάτων που προέκυψαν μέσα από τις προηγούμενες αναλύσεις. Στο πρώτο μέρος της εργασίας θα δούμε τον τρόπο σχεδιασμού των πλεγματικών δομικών στοιχείων, τους βαθμούς ελευθερίας από τους οποίους αποτελούνται, καθώς επίσης και την ανάλυση που γίνεται ώστε να εξακριβωθεί η ακριβής μηχανική τους αντοχή. Μέσα από την μελέτη με πεπερασμένα μπορούμε να εντοπίσουμε την ακριβή αντοχή της κάθε γεωμετρίας, καθώς επίσης και την συγκέντρωση τάσεων που αναπτύσσονται στην κατασκευή. Στη συνέχεια, αξιοποιώντας αυτά τα δεδομένα είναι δυνατή η πραγματοποίηση παραμετρικής μελέτης με βάση την οποία μπορούμε να διαπιστώσουμε την επίδραση που έχει η μεταβολή κάθε βαθμού ελευθερίας στο τελικό αποτέλεσμα. Το δεύτερο μέρος αποτελείται από την προσομοίωση με πεπερασμένα στοιχεία της διαδικασίας της χύτευσης και τον εντοπισμό των παραμέτρων που απαιτούνται ώστε να έχουμε ένα ικανοποιητικό αποτέλεσμα κατά τη χύτευση της βέλτιστης γεωμετρίας, όπως αυτή προέκυψε από την προηγούμενη ανάλυση. Μέσα από την προσομοίωση της χύτευσης μπορούμε να εντοπίσουμε τα ελαττώματα τα οποία παρουσιάζονται κατά τη χύτευση όπως για παράδειγμα το πορώδες το οποίο αναπτύσσεται ή ακόμα τις παραμένουσες τάσεις και την πλαστική παραμόρφωση που υφίσταται το χυτό. Στο τρίτο μέρος της εργασίας θα δούμε τους τρόπους κατασκευής που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για μικρής κλίμακας τεμάχια. Θα ακολουθήσουμε όλη τη διαδικασία της χύτευσης ακριβείας, από την κατασκευή του κέρινου μοδέλου, μέχρι και την χύτευση του μετάλλου. Ιδιαίτερη έμφαση θα δοθεί στον τρόπο με τον οποίο μπορεί να κατασκευαστεί το μοδέλο, υιοθετώντας έναν modular τρόπο κατασκευής για την χύτευση του κεριού συνδυάζοντας το μικρό κόστος με την σχετικά καλή ακρίβεια.

The need for more competitive products in terms of price and quality is making necessary the need of design and manufacturing new mesh-like structural elements that will meet these demands. The current essay is dividing the study of these elements in three major parts the design and analysis, the simulation of the investment casting method, with which the elements are going to be manufactured sand finally the manufacture of prototype structural elements based on the findings of the previous analysis In the first part of this essay we will find out the design methods of the mesh-like elements, the degrees of freedom that are consisted of, as well as the analysis method that is going to be used in order to find out the mechanical resistibility of the structures. Through the finite element analysis of the structure we can find out, not only the resistibility, but also the stress concentration of the design. Subsequently, using that data through designing appropriate the following experiments we can find out the exact effect of each degree of freedom in the final result. The second part includes the finite element simulation of the investment casting process and the discover of the optimal values of the casting parameters in order to achieve a perfect result of the best geometry as it emerged through the previous analysis. Through the casting simulation it becomes possible to identify possible flaws such as the developing porosity or even the effective stress and mesh deformation that occurs to the cast. In the third part we are going to discover ways of manufacturing that could be used to create small scale parts. We will see the entire process of the investment casting from the creation of the wax model to the metal casting. Special emphasis will be given in the ways that the wax model can be created adopting a modular way of creating small parts combining the low cost with the relatively good quality.