Development and Experimental Verification of a Generative CAD/FEM Model of an External Fixation Device

This paper presents the development and experimental verification of a generative CAD/FEM model of an external bone fixation device. The generative CAD model is based on the development of a parameterized skeleton algorithm and sub-algorithms for parametric modeling and positioning of components within a fixator assembly using the CATIA CAD/CAM/CAE system. After a structural analysis performed in the same system, the FEM model was used to follow interfragmentary fracture displacements, axial displacements at the loading site, as well as principal and Von Mises stresses at the fixator connecting rod. The experimental analysis verified the results of the CAD/FEM model from an aspect of axial displacement at the load site using a material testing machine (deviation of 3.9 %) and the principal stresses in the middle of the fixator connecting rod using tensometric measurements (deviation of 3.5 %).The developed model allows a reduction of the scope of preclinical experimental investigations, prediction of the behavior of the fixator during the postoperative fracture treatment period and creation of preconditions for subsequent structural optimization of the external fixator

SOFTWARE INTEGRATION TYPE CAD-CAM-CAE IN PRODUCT LIFECYCLE MANAGEMENT

  Abstract: Using the CAD-CAM-CAE type programs, case studies can be carried out to analyze some industrial tasks that may occur in the realization, manufacture, and operation of certain industrial components, before they are manufactured and put into operation under normal conditions. operation. Computer programs that perform a virtual modeling and an analysis of them based on the finite element method, help reduce launch and production times, control, and review of industrial products, before making the physical model. All this information resulting from simulations with specialized programs will be analyzed in detail, and the design team within the company can take the right measures to improve the final product

Exploring the role of text-to-image AI in concept generation

Artificial intelligence (AI) capable of generating images from a text prompt are becoming increasingly prevalent in society and design. The general public can use their computers and mobile devices to ask a complex text-to-image AI to create an image which is in some cases indistinguishable from that which a human could create using a computer graphics package. These images are shared on social media and have been used in the creation of art projects, documents and publications. This exploratory study aimed to identify if modern text-to-image AI (Midjourney, DALL-E 2, and Disco Diffusion) could be used to replace the designer in the concept generation stage of the design process. Teams of design students were asked to evaluate AI generated concepts from 15 to a final concept. The outcomes of this research are a first of its kind for the field of engineering design, in the identification of barriers in the use of current text-to-image AI for the purpose of engineering design. The discussion suggests how this can be overcome in the short term and what knowledge the research community needs to build to overcome these barriers in the long term

CAD-Based Automated Design of FEA-Ready Cutting Tools

The resources of modern Finite Element Analysis (FEA) software provide engineers with powerful mechanisms that can be used to investigate numerous machining processes with satisfying results. Nevertheless, the success of a simulation, especially in three dimensions, relies heavily on the accuracy of the cutting tool models that are implemented in the analyses. With this in mind, the present paper presents an application developed via Computer-Aided Design (CAD) programming that enables the automated design of accurate cutting tool models that can be used in 3D turning simulations. The presented application was developed with the aid of the programming resources of a commercially available CAD system. Moreover, the parametric design methodology was employed in order to design the tools according to the appropriate standards. Concluding, a sample tool model was tested by performing a number of machining simulations based on typical cutting parameters. The yielded results were then compared to experimental values of the generated machining force components for validation. The findings of the study prove the functionality of the tool models since a high level of agreement occurred between the acquired numerical results and the experimental ones

Implementation of CAD-based and 3D non-linear finite element methodologies on modelling of machining processes

La eliminación de material es uno de los procesos de conformación más importantes de la industria. Además, mediante el mecanizado se pueden producir una amplia variedad de productos que van desde una herramienta simple hasta una pieza de avión. Estos hechos significativos junto con la constante evolución por la ingeniería se convirtieron en la base de la presente tesis.El objetivo principal durante la investigación y el desarrollo en el área de mecanizado basado en FEM, se centra en:aumentar la precisión de los modelos FE desarrollados,reducir el tiempo de preparación yminimizar el trabajo experimental requerido.Para lograr los estándares altos y garantizar la confiabilidad de los procesos de corte, se deben determinar nuevos métodos de análisis teórico. Además, se requieren nuevos modelos de simulación para cubrir el desarrollo continuo de herramientas de corte. A la luz de estas consideraciones, se llevó a cabo un estudio extenso de la literatura como primer paso hacia una comprensión más profunda de trabajos previosen el campo. A continuación, el procesamiento de los hallazgos reveló ciertos temas que requerían mayor investigación o mejora. Dichos temas incluyen:La mejora de la precisión durante el modelado de FE.La investigación del efecto de las condiciones críticas de mecanizado sobre varios parámetros como las fuerzas de corte desarrolladas, la morfología de la viruta, así como la tensión y la distribución de la temperatura. Y el establecimiento de modelos de predicciones eficientes y fáciles de usar.Una vez finalizada la revisión bibliográfica, la investigación se dividió en cuatro etapas. La primera etapa está asociada con la mejora de la precisión en el modelado de FE. La segunda trata sobre el modelado FE de operaciones de taladrado y torneado en tres dimensiones, asistido con técnicas basadas en CAD. La tercera etapa está relacionada con la investigación del mecanizado de materiales industriales en condiciones críticas de corte. Finalmente, la última presenta el desarrollo de modelos de predicción con la ayuda de metodologías estadísticas.1) La mayoría de los investigadores utilizan en sus estudios modelos de herramientas de corte proporcionados por los fabricantes o los diseñan ellos mismos. Sin embargo, en el primer caso, es posible que los resultados de la simulación producidos sean de baja precisión, debido al hecho de que los modelos descargados de la web de un fabricante suelen estar simplificados y, a menudo, pierden características geométricas críticas. En este último caso, el investigador puede verse obligado a dedicar horas a tareas de diseño repetitivas que pueden resultar frustrantes, especialmente cuando se producen errores de diseño. Para evitar confusiones y centrarse en tareas más creativas, se diseñó y desarrolló una aplicación para el diseño automatizado de herramientas de corte con la ayuda de Application Programming Interface (API) delsistema CAD SolidWorks™. En esta etapa se emplearon los recursos de programación de SolidWorks ™, combinados con la estrategia de diseño paramétrico para que se pudiera lograr la concepción de la aplicación.2) Con la finalización de la aplicación, se prepararon varios modelos 3D FE y se generaron las herramientas de corte equivalentes con fines de prueba. Las pruebas de simulación se completaron con éxito y los resultados adquiridos revelaron una mayor correlación con los resultados experimentales correspondientes. Posteriormente, se establecieron modelos de FE similares para taladrado y torneado, de acuerdo con loshallazgos y recomendaciones de trabajos ya publicados, mediante el uso de un software FEA de última generación, llamado DEFORM ™ -3D. Las propiedades de los materiales, la evolución de los daños, la aproximación de la fricción, así como el flujo térmico, se establecieron con respecto al trabajo experimental realizado durante esta investigación, además de los hallazgos publicados por expertos en la materia.Además, se hizo un esfuerzo por simplificar los problemas de mecanizado, empleando varias estrategias bien establecidas, como la configuración asistida por CAD de la interfaz herramienta-pieza de trabajo y la localización del refinamiento de la malla.3) La tercera etapa de la tesis está directamente vinculada a la anterior. Los resultados de la simulación adquiridos se procesaron con la ayuda de entornos informáticos como Excel™ y MATLAB®, de modo que los resultados se pueden convertir en conjuntos de datos utilizables. Posteriormente, los datos procesados se visualizaron y compararon directamente con hallazgos equivalentes que están disponibles en la literatura. Esta comparación mostró que los modelos de FE desarrollados estaban de acuerdo con los encontrados en studios ya publicados. Además, se llevaron a cabo una serie de pruebas experimentales para validar aún más la precisión de los modelos de FE desarrollados. Para realizar con precisión el trabajo experimental, se utilizó un centro de mecanizado CNC junto con el equipo de medición (un dinamómetro). Al mismo tiempo, se realizó una investigación sobre los efectos de la velocidad de corte, el avance, la profundidad de corte y la geometría de la herramienta sobre las fuerzas de corte desarrolladas. En concreto, se estudiaron las fuerzas de empuje generadas durante el taladrado, así como los componentes de mecanizado (fuerzas radiales, tangenciales y de avance) inducidas durante el torneado.Doctoral Thesis: Implementation of CAD-based and 3D non-linear finite element methodologies on modelling of machining processes.Además, se estudiaron tanto la evolución de la viruta como la morfología con respecto a la operación aplicada, el material, la herramienta y las condiciones de corte.4) Finalmente, los resultados simulados verificados se utilizaron para el desarrollo de modelos matemáticos que pueden predecir las fuerzas de corte generadas dentro de límites específicos. Los modelos que fueron representados por funciones, pueden generar resultados de alta precisión al instante y sin la necesidad de ningún software especializado. El modelado se realizó utilizando la Metodología de Superficie de Respuesta (RSM) ampliamente utilizada, que además mejoró la visualización de la investigación concluida durante la tercera etapa. Para fortalecer aún más la validez de los modelos estadísticos, se utilizó el Análisis de Varianza (ANOVA). Los resultados del análisis revelaron que los modelos desarrollados son robustos y se pueden utilizar de forma segura con fines de predicción.El documento titulado “CAD-based automated design of FEA-ready cutting tools” presenta el desarrollo de una aplicación de diseñador con la implementación de la API de SolidWorks ™ implementada con VBA. El propósito de la aplicación desarrollada es generar automáticamente modelos CAD de herramientas de corte que se pueden utilizar con el software FEA. Al finalizar la aplicación, se han realizado con éxito una serie de pruebas de simulación para verificar la funcionalidad de los modelos generados. El resultado de simulación de las fuerzas de mecanizado al obtenido de forma experimental, superando el 90% en la mayoría de los casos. El documento titulado "FEM based mathematical modelling of thrust force during drilling of Al7075-T6" presenta el desarrollo de un modelo de predicción para las fuerzas generadas durante la perforación de Al7075-T6, con la ayuda de RSM y la implementación de 3D FEA. Se realizó una serie completa de 27 simulaciones 3D bajo diferentes condiciones de corte (velocidad y avance) además de los tres diámetros deherramienta diferentes que se utilizaron. Los resultados simulados se validaron mediante experimentos y la correlación entre los resultados simulados y experimentales superó el 95% en la mayoría de los casos. Después de analizar a fondo el modelo para determinar su precisión (5,9%) y fidelidad de ajuste, se concluye que el modelo desarrollado puede predecir con seguridad las fuerzas de empuje bajo ciertos límites que se discuten en esta investigación. Además, se introdujo la morfología de las virutas producidas durante la perforación de Al7075-T6.En el trabajo “3D FE modelling of machining forces during AISI 4140 hard turning” se presentó el desarrollo de un modelo 3D FE, así como un modelo de predicción de la principal fuerza de mecanizado inducida durante torneado duro de AISI-4140. Se realizaron una serie de 27 simulaciones 3D bajo diferentes condiciones de velocidad de corte y avance, además de las tres diferentes profundidades de corte. Los resultados numéricos obtenidos fueron validados mediante valores experimentales que se encuentran disponibles en la literatura y se observó que están en alta concordancia superando el 90% en la mayoría de las situaciones. La precisión (8.8%) y la bondad de ajuste del modelo estadístico, determinan que los modelos desarrollados (FE y estadístico) pueden predecir con fiabilidad las fuerzas de mecanizado resultantes cuando se aplican dentro del alcance de este estudio.Finalmente, en la publicación "Influence of the nose radius on the machining forces induced during AISI-4140 hard turning: A CAD-based and 3D FEM approach" un modelo 3D FE para el torneado de AISI-4140 como un modelo de predicción de la fuerza de mecanizado resultante, basado en métodos estadísticos. Se utilizó unconjunto de resultados experimentales que están disponibles en la bibliografía para verificar el modelo FE y, en consecuencia, se preparó un diseño completo de experimentos de acuerdo con tres niveles de velocidad de corte, velocidad de avance y radio de la punta de la herramienta. Se realizó una validación adicional del modelo estadístico para garantizar que el modelo pueda predecir con seguridad la fuerza de corte resultante dentro del rango de condiciones encontradas en el presente estudio. Finalmente, se investigó y presentó gráficamente la influencia del radio de la punta en las fuerzas de corte producidas.<br /