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An energy consumption and material efficiency simulation method for additive manufacturing

by Xin Xu




Institution: McGill University
Department: Department of Mechanical Engineering
Degree: M. Eng.
Year: 2014
Keywords: Engineering - Mechanical
Record ID: 2042838
Full text PDF: http://digitool.library.mcgill.ca/thesisfile127223.pdf


Abstract

Considering the potential for new product design possibilities and the reduction of environmental impacts, Additive Manufacturing (AM) technologies are considered to possess significant advantages for automotive, aerospace and medical equipment industries. However, there is very limited research about energy and material consumption aspects of AM, which prevents evaluating the sustainability of AM. This paper presents a simulation method to calculate the energy and material consumption for AM. Based on this method, an energy and material consumption model of Binder-Jetting technology is created. Binder-Jetting (BJ) is one of the commercial AM technology which can process a variety of materials including stainless steel, ceramic, polymer and glass. Decomposition is performed to analyze the BJ printing process. A power analyzing method is developed to provide the power information for BJ model. Based on the analyses, total energy and material consumption is calculated as a function of part geometry and printing variables. Finally, test validation is performed to check the validity of the BJ model and simulation method. Case studies are performed to reveal the energy and material consumption characteristics of BJ process. This process model provides a tool to optimize part geometry design and print variables choosing with respect to energy and material consumption. En considerant du potentiel de nouvelles possibilités de conception de produits et la réduction des impacts environnementaux, Additive Manufacturing(AM) technologies sont considérés comme possédant des avantages importants pour l'automobile, de l'aérospatiale et de l'équipement médical industries. Cependant, il ya très peu de recherche sur l'énergie et la consommation de matière aspects de AM, ce qui empêche l'évaluation de la durabilité des AM. Cet article présente une méthode de simulation pour calculer les consommations énergétiques et matérielles pour AM. Selon cette méthode, un modèle de consommation d'énergie et de matériel de technologie Binder-jets est créé. Binder-Jetting (BJ) est l'une des technologies AM commerciale qui peut traiter une variété de matériaux, y compris l'acier inoxydable, céramique, polymère et verre. La décomposition est réalisée pour analyser le processus d'impression BJ. Une méthode d'analyse de puissance est conçu pour fournir des informations de puissance pour le modèle BJ. D'après les analyses, les consommations énergétiques et des matériaux totaux sont calculés en fonction de la géométrie des pièces et de variables d'impression. Enfin, la validation de test est effectué pour vérifier la validité du modèle BJ et la méthode de simulation. Sutdies de cas sont réalisées à révéler les caractéristiques de consommation d'énergie et de matière de processus BJ. Ce modèle de processus est un outil pour optimiser la conception de la géométrie de la pièce et les variables d'impression en choisissant à l'égard de l'énergie et des consommations matérielles.