• Tidak ada hasil yang ditemukan

Build time estimation model for selective laser sintering

3.2 Deterministic model for cost estimation

3.2.1 Build time estimation model for selective laser sintering

Specific to SLS, build time can be mainly divided into two parts— time for adding powder  by the roller and the time required for scanning. Apart from these, heating and cooling time  are also considered (Ruffo et al. 2006b). Powder addition by the roller involves forming a  layer of prescribed thickness by depositing powder. The layer of powder is formed in the  entire horizontal area (xy plane) of the machine bed. 

Pham and Wang (2000) provided an approximate formula to predict the time for  adding powder by the roller. However, the formula ignored time for attaining the maximum  velocity by the roller as well as time required for bringing the roller to the rest. Due to this,  time for adding the powder was underestimated. Hence, Pham and Wang (2000) estimated  this time empirically. In this study, acceleration and deceleration time are considered. The  underlying kinematic behaviour of the roller is illustrated in Figure 3.3. OB represents the  time period in which the roller starts from zero velocity to attain the maximum velocity. In  the time period BC, the roller travels with constant velocity. Finally, the roller decelerates  and comes to rest in the time period CD. The total distance travelled by the roller (lr) is  given by 

  1 1

2 ,

2 2

r r r

r r r ap r

r r r

v v v

l v v t v

a a a

 

    

 

       (3.1)  where vr  is  the  maximum  attainable  velocity  of  the  roller, ar  is  the  acceleration  and  deceleration of the roller during starting and stopping, respectively and tap is the time for  adding powder by the roller. Solving Eq. (3.1), tap is obtained as 

r r .

ap

r r

l v

tva        (3.2) 

  Figure 3.3 A typical time-velocity diagram of the roller 

Considering time delay between two successive layers (td), tap is given by 

r r .

ap d

r r

l v

t t

v a

 

  

        (3.3)  Time delay that includes lowering down of the platform and roller return time, is a difficult- to-estimate element. The time delay between two layers may depend on the type of powder  and judgement of the operator. Eq. (3.3) is applicable for only one layer of powder. For the  complete part, tap is given by 

r r z ,

a p d

r r t

l v h

t t

v a l

  

 

    

  

 

       (3.4)  where hz is the height of the part and lt is the layer thickness. It is assumed that the layer  thickness is fixed throughout the height of the part. 

The other part of build time is the scanning time. It takes place by the action of a  laser beam. It is the process where the part is built layer by layer. Unlike the time estimation  for powder addition by the roller, the scanning time is a complex phenomenon and varies  for different geometrical features contained in a part. The kinematics involved in scanning  is  similar  to  that  in  powder  addition  (coating)  by  the  roller.  Considering  a  part  to  be  a  rectangular prism, the total number of scans required for scanning one layer (Ns) is given  by 

y 1,

s

h l

N w

d d

 

       (3.5)  where wy is the width of the part, dh is the scan spacing and dl is the laser beam diameter. 

Time required to scan a complete layer (tscan) is given by 

1 ,

x y s

scan

s h l l

l w v

t v d d a

 

   

         (3.6)  where lx is the length of the part, vs is the maximum scan velocity of the laser beam and al  is the acceleration of the laser beam. Representation of necessary parameters involved in  scanning process is illustrated in Figure 3.4. Eq. (3.6) gives the time for scanning only one  layer of the part. Laser delay time being very small is neglected. For the complete part, the  time required to scan (tscan) is given by 

1 .

x y s

z scan

t s h l l

l w v

t h

l v d d a

   

 

     

    

 

       (3.7) 

 

Figure 3.4 A schematic of scanning process: (a) top view of the part illustrating laser beam  diameter and scan spacing, (b) front view illustrating layer thickness of the part 

Eq. (3.7) is applicable if the part is a rectangular prism. If a part comprises some  complex geometrical features, Eq. (3.7) requires modification. For such cases, an approach  to estimate tscan was proposed by Ruffo et al. (2006b). They presented an empirical model  for build time estimation in SLS process. In their study, they considered a box of cuboidal  shape  that  contained  the  entire  volume  of  the  part.  Similar  approach  is  followed  in  this  work. The cuboidal shaped box is termed as a bounding box that refers to the volume of  the smallest cuboid that covers every edge of the part to be formed. The ratio of the volume  of the actual part (Vpart) to that of the volume of the bounding box (Vb) is denoted by rp

part.

p b

r V

V       (3.8)  Larger value of rp indicates that there is less empty space in the bounding box. Incorporating  rp in Eq. (3.7), tscan is obtained as 

1 .

x y s

z

scan p

t s h l l

l w v

t r h

l v d d a

   

 

     

    

 

       (3.9) 

Figures 3.5 and 3.6 illustrate two typical layers where only the dotted filled portion  is to be sintered by laser scanning. The laser beam starts from point O and stops at point G. 

The kinematic behaviour of the laser scan is shown in the time period O to G. Figure 3.5  shows a layer having a small empty space BE. From point B to point E, the laser travels at  rapid  velocity.  At  rapid  velocity,  scanning  does  not  take  place.  Also,  the  nozzle  cannot  attain its maximum rapid velocity due to a small empty space. The distance BE (s) is given  by 

1 1 1

2 ,

1 2 2 2

t t

r r

s v t a

s r l

 

    

 

 

      (3.10)  where tris the time taken to cover the distance BE. Solving Eq. (3.10), tr1 is obtained as 

2

1

2

.

s l s

r

l

v a s v

t a

 

       (3.11)  Overall, the total time to travel at rapid velocity (tr) to cover the entire part is given by  

 

2

2 1

1 .

s p l x s

y z y

r

l h l t s

v r a l v w h w

t a d d l v

     

 

    

  

 

 

      (3.12) 

 

Figure 3.5  A  typical  layer  undergoing  sintering  process  with  a  small  empty  space  and  corresponding time-velocity diagram 

In  Figure  3.6,  the  distance  BE  represented  by s  is  the  empty  space  that  is  to  be  travelled  at  rapid  velocity.  Since  the  empty  space  is  large,  the  laser  beam  attains  its 

maximum velocity unlike in Figure 3.5. The distance CD is travelled at maximum rapid  velocity by the laser nozzle. Let the time taken to travel the overall empty distance BE be  represented by t and the time required to travel the distance BC be represented by ta. The  distance BE (s) is given by 

    

2 1 2 ,

2 ra s a ra s a s

s  vv tvv ttv t       (3.13)  where vra is the rapid velocity of the laser nozzle. Solving Eq. (3.13), t is obtained as 

 

ra s a.

ra ra

v v t t s

v v

         (3.14) 

Let the time required to cover the distance BC or DE (Figure 3.6) be represented by 

2 .

2

ra s

r

l

v v

t

a

        (3.15) 

Eq. (3.15) gives the value of time when the laser nozzle has attained its maximum rapid  velocity. This is  also the maximum value of time to attain the maximum velocity of the  laser nozzle. Hence, by replacing ta in Eq. (3.14) by tr2/2 from Eq. (3.15), Eq. (3.14) yields 

 

 

2

ra s .

ra r l

v v

t s

v v a

         (3.16) 

Overall, the total time (tr) to travel at rapid velocity (the entire part) is given by 

1

  

2

1 .

p x ra s z y y

r

ra ra l t h l s

r l v v h w w

t v v a l d d v

     

 

     

  

 

 

       (3.17) 

 

         Figure 3.6  A  typical  layer  undergoing  sintering  process  with  a  large  empty  space  and  corresponding time-velocity diagram 

In order to determine if an empty space is larger or not, the values of tr1 and tr2 are  determined from Eqs (3.11) and (3.15), respectively. If tris smaller than tr2, Eq. (3.12) is  applicable; else Eq. (3.17) is  applicable.  In situations  where both  small  and large empty  spaces are present, the time to travel at rapid velocity is given by the weighted combination  of the times given by Eq. (3.12) and Eq. (3.17). Overall, the total build time (tbuild) is given  by an algebraic summation: 

build mp ap scan r eo

,

tttttt

      (3.18) 

where tmp  is  the  time  required  for  machine  preparation  that  involves  machine  set-up,  warming up of the closed chamber and other preliminary operations. teo is the time required  in ending operations such as cooling down of the machine chamber and repositioning of  the laser beam  and powder bed. Eq. (3.18) is applicable only when a single part is built  inside the machine chamber. If multiple quantities (say np) of the same part are built in the  machine chamber, the build time for an individual part is given by 

mp ap eo .

build scan r

p

t t t

t t t

n

 

          (3.19)  In this case, the time for adding powder by the roller (tap) and fixed time components, i.e.,  the  time  for  machine  preparation  (tmp)  and  time  for  ending  operation  (teo)  are  divided  equally amongst all the parts in the machine chamber.