Optimum Spur Gear Design and Production with Additive Manufacturing Method

Abstract

Gears are the most used powertrain elements in the industry. They significantly increase the total weight of the machines on which they are mounted, since they are used in the first place in almost every place where there is power transmission occur. For this reason, lighter and more sustainable machine designs will be able to be realized with the lightening studies to be carried out on the gear geometry. In this study, a lightweight, innovative and sustainable gear design has been implemented by using additive manufacturing and topology optimization methods. At first standard gear geometry has been created. Then, the optimum material distribution is determined by applying topology optimization to the standard gear. Considering the material distribution form the topology optimization, manufacturability and strength constraints, a novel gear design has been performed. The strength performances of gears are tested and compared by applying unit loads to the designed new and standard gear, then, designed standard and optimized gears are produced by 3D printing method and mass changes are measured. As a result of the study, 30% mass reduction is achieved however; the stress values are increase 15% compared to the standard gear.

Özet

Dişli çarklar endüstride en çok kullanılan güç aktarma organı olarak karşımıza çıkmaktadır. Güç aktarımının olduğu hemen her yerde ilk sırada kullandıklarından dolayı, üzerlerinde bulundukları makinelerin toplam ağırlıklarını önemli ölçüde arttırmaktadırlar. Bu nedenle dişli geometrisi üzerinde gerçekleştirilecek hafifletme çalışmaları ile birlikte daha hafif ve sürdürülebilir makine tasarımları gerçekleştirilebilecektir. Bu çalışmada, eklemeli imalat yöntemi ve topoloji optimizasyonu yöntemleri kullanılarak, hafif yenilikçi ve sürdürülebilir bir dişli çark tasarımı gerçekleştirilmiştir. Bu amaçla öncelikle standart bir dişli geometrisi oluşturulmuştur. Ardından standart dişli çarka topoloji optimizasyonu uygulanarak optimum malzeme dağılımı belirlenmiştir. Elde edilen malzeme dağılımı, üretilebilirlik ve mukavemet kısıtları dikkate alınarak yeni bir dişli çark tasarımı yapılmıştır. Tasarlanan yeni ve standart dişliye birim yükler uygulanarak, dişli çarkların mukavemet performansları test edilmiş ve karşılaştırılmıştır. Ardından tasarlanan standart ve optimize edilmiş dişli çarklar üç boyutlu yazdırma yöntemi ile üretilmiş ve kütle değişimleri ölçülmüştür. Sonuç olarak, standart dişli çarka göre % 30 oranında hafifletme sağlanırken, gerilme değerlerinde ise %15’lik bir artış gözlemlenmiştir.