AM gears : preliminary design and analysis

This project includes the combination of the aspects related with the production of the lattice gears and their computer based finite element modelling. Initially, the evolution of the idea of using lattice structures inside the gears was explained by taking into account the vibration related problems in the geared systems. First of all, traditional manufacturing methods do not allow to obtain lattice structures which consist of very small cells. Hence, an unconventional manufacturing method, in our case, Selective Laser Melting was introduced. After that, a brief overview on the lattice types and their properties was presented. These introductory explanations were followed by the main goal of the project, which is the preparation of the finite element model of the manufactured lattice gears. Because of the geometrical complexity of the lattice gears, there were some problems arised and alternative solutions were sought during the modelling of the lattice gears. Two alternative solutions were proposed and before applying them into the actual gears’ model, their validity was investigated in some test cases. In Abaqus software, several test models were prepared and their responses under the various loading simulations, which are the principal cases for gears’ utilization range, were evaluated. Finally, in the light of the test results, one of the proposed solutions was applied to the modelling of the lattice gears. Several analyses were performed in Abaqus, and consequently, comparisons between the lattice gears and conventional gears in terms of their natural frequencies, vibration modes and torsional stiffness were evaluated.

Il progetto di tesi tratta la combinazione degli aspetti relativi alla produzione di ingranaggi a reticolo e il loro modello digitale basato sugli elementi finiti. L'idea di utilizzare strutture a reticolo all'interno degli ingranaggi è nata valutando i problemi legati alle vibrazioni nei sistemi ad ingranaggi. In primo luogo, i metodi tradizionali di produzione non permettono di ottenere strutture a reticolo costituite da celle molto piccole; perciò, è stato introdotto un metodo di produzione non convenzionale, ovvero il “Selective Laser Melting”. A seguire si è presentata una breve panoramica sui tipi di reticolo e le loro proprietà. Questa spiegazione introduttiva è seguita dall’obiettivo principale del progetto, ovvero la preparazione del modello ad elementi finiti degli ingranaggi a reticolo prodotti. Durante la modellazione degli ingranaggi a reticolo si sono riscontrati alcuni problemi dovuti alla complessità geometrica di questi, si sono dunque dovute trovare soluzioni alternative. Sono state proposte due soluzioni che, prima di essere applicate sul modello degli ingranaggi, sono state validate applicandole su alcuni casi studio. Si sono preparati diversi test utilizzando il software Abaqus ed i risultati ottenuti sono stati valutati variando le condizioni di carico che tipicamente si utilizzano per questa gamma di ingranaggi. In fine, alla luce dei risultati ottenuti, è stata applicata al modello degli ingranaggi a reticolo, una delle soluzioni proposte. Sono state eseguite diverse analisi in Abaqus, comparando gli ingranaggi a reticolo e gli ingranaggi convenzionali, per valutarne le frequenze fondamentali, i modi di vibrare e rigidezza torsionale.