Relating Additive and Subtractive Processes Teleologically For Hybrid Design and Manufacturing

174 Pages·2017·6.49 MB·English

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Electronic Theses and Dissertations Theses, Dissertations, and Major Papers
2010
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Victoria Townsend
University of Windsor
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Townsend, Victoria, "Relating Additive and Subtractive Processes Teleologically For Hybrid Design and
Manufacturing" (2010). Electronic Theses and Dissertations. 160.
https://scholar.uwindsor.ca/etd/160
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Relating Additive and Subtractive Processes Teleologically For Hybrid 
Design and Manufacturing 

by 
Victoria Townsend 

A Thesis 
Submitted to the Faculty of Graduate Studies 
through Industrial and Manufacturing Systems Engineering 
in Partial Fulfillment of the Requirements for 
the Degree of Master of Applied Science at the  
University of Windsor 

Windsor, Ontario, Canada 
2010  
© 2010 Victoria Townsend
Relating Additive and Subtractive Processes Teleologically For Hybrid Design and Manufacturing 
by  
Victoria Townsend 

APPROVED BY: 

Dr. J. Sokolowski 
Department of Mechanical, Automotive, and Materials Engineering 

Dr. Z. Pasek 
Department of Industrial and Manufacturing Systems Engineering 

Dr. J. Urbanic, Advisor 
Department of Industrial and Manufacturing Systems Engineering 

Dr. W. ElMaraghy, Chair of Defense 
Department of Industrial and Manufacturing Systems Engineering 

July 8, 2010
DECLARATION OF CO­AUTHORSHIP / PREVIOUS PUBLICATION 
This thesis includes one original paper that has been previously submitted for publication in 
peer reviewed conference proceedings, as follows: 
Thesis Chapter  Publication Title / Full Citation  Publication Status 
Townsend, V. and J. Urbanic (2010).  “A 
Systems Approach to Hybrid Design:  Fused 
Chapter 6 
Deposition Modeling and CNC Machining,”  Published 
Proceedings of the 2010 CIRP Design 
Conference, Nantes, France, April 19‐21. 
...     

I certify that I have obtained a written permission from the copyright owner(s) to include the 
above published materials in my thesis.  I certify that the above material describes work 
completed during my registration as a graduate student at University of Windsor.  
I declare that, to the best of my knowledge, my thesis does not infringe upon anyone’s copyright 
nor violate any proprietary rights and that any ideas, techniques, quotations or any other 
material  from  the    work  of  other  people  in  my  thesis,  published  or  otherwise,  are  fully 
acknowledged in accordance with the standard referencing practices.  Furthermore, to the 
extent that I have included copyrighted material that surpasses the bounds of fair dealing within 
the meaning of the Canada Copyright act, I have obtained a written permission from the 
copyright owner(s) to include such material(s) in my thesis.   
I declare that this is a true copy of my thesis, including any final revisions, as approved by my 
thesis committee and the Graduate Studies office, and that this thesis has not been submitted 
for a higher degree to any other University or Institution.    

iii
ABSTRACT 
This  research  proposes a  methodology  for  hybrid  design  and  manufacturing  ‐‐  connecting 
processes, and silos of information, in a shared system that maximizes the strengths of each 
process.  Additive and subtractive processes (i.e. fused deposition modeling and CNC machining) 
are focused on in this research.  The foundation for the hybrid methodology is a teleological 
system,  which  defines  a  context  for  interrelationships  whereby  impact  and  value  can  be 
understood and assessed.  Decision making is organized in the analytic hierarchy process (AHP), 
harnessing knowledge of the aforementioned processes to effectively manage complexity in 
modules and efficiently design and manufacture a part with the most value.  An adaptation of a 
product complexity assessment is proposed and used to validate the proposed AHP model along 
with a sensitivity analysis.  The hybrid design and manufacturing methodology is tested in 
application through case study (i.e. casting pattern design and manufacture of a complex V6 
engine section).   

iv
DEDICATION 

This study is lovingly dedicated to my Mom and Sister,  
who taught me to live with courage and to journey with an open mind and heart.   

v
ACKNOWLEDGEMENTS 
Thank you to the thesis committee ‐‐ Dr. Z. Pasek, Dr. J. Sokolowski, and Supervisor Dr. J. 
Urbanic.  This research is partially funded by the AUTO21 Network of Centres of Excellence, an 
automotive research and development program focusing on issues relating to the automobile in 
the 21st century.  AUTO21 is a member of the Network of Centres of Excellence of Canada 
program.   
Many thanks to Dr. J. Sokolowski and the 2009 University of Windsor Casting Capstone team, 
especially Victor Francis and Brian Beaudry, for their collaboration in the case study of this 
research.  As part of this case study also, thank you to Nemak of Canada Corporation personnel 
who donated their time and resources to support this work and pour the castings, and in 
particular Dr. Robert MacKay and Dr. Glenn Byczynski.  Thank you to Dr. J. Sokolowski who gave 
me a home at the University of Windsor with a great group of lab colleagues.   
Thank you to Dr. Waguih ElMaraghy and Dr. Hoda ElMaraghy for the use of the FDM machine at 
the University of Windsor Intelligent Manufacturing Systems Centre.   
A special thank you to Dr. J. Urbanic and Bob Hedrick for all of their support.   
Thank you to friends and family who have offered support, guidance, and help in many ways.  I 
extend a special thank you to Sandy Marshall, Melissa Figueroa, Sarrah Beemer, Kirby Miles 
Wilkerson, Corey and Lena Walsh, Victoria and Jennifer Collis, my Dad, and my brother Louis 
Townsend. 

vi
TABLE OF CONTENTS 
Declaration of Co‐Authorship / Previous Publication ..................................................................... iii 
Abstract ........................................................................................................................................... iv 
Dedication ........................................................................................................................................ v 
Acknowledgements ......................................................................................................................... vi 
List of Tables .................................................................................................................................... x 
List of Figures ................................................................................................................................. xii 
List of Appendices .......................................................................................................................... xiv 
List of Abbreviations ...................................................................................................................... xv 
Chapter 1:  Introduction .................................................................................................................. 1 
1.1  Problem Statement and Motivation of the Study............................................................ 1 
1.2   Research Objectives ......................................................................................................... 4 
1.3   General Research Approach............................................................................................. 5 
Chapter 2:  Systems Thinking ........................................................................................................... 7 
2.1   Systems Thinking Overview ............................................................................................. 7 
2.2  Teleological Systems ........................................................................................................ 9 
2.3  Knowledge ...................................................................................................................... 10 
2.4  Complexity ..................................................................................................................... 12 
2.5  Analytic Hierarchy Process ............................................................................................. 13 
Chapter 3:  Additive Manufacturing and CNC Machining .............................................................. 15 
3.1  Rapid Prototyping and Additive Manufacturing ............................................................ 15 
3.1.2  Fused Deposition Modeling ................................................................................... 25 
3.2  CNC Machining ............................................................................................................... 28 
Chapter 4:  Machining and Additive Manufacturing ..................................................................... 32 
4.1  Nature of the Processes ................................................................................................. 32 
4.2   Machine‐Level Process Planning .................................................................................... 32 
4.3  Geometric Design Freedom ........................................................................................... 34 
4.4  Raw Material Availability ............................................................................................... 34 
4.5  Material Properties ........................................................................................................ 34 
4.6  Accuracy ......................................................................................................................... 35 
4.8  Fabrication Speed .......................................................................................................... 37 
vii
4.9  Part Size .......................................................................................................................... 37 
4.10  Human Intervention in the Fabrication Process ............................................................ 37 
4.11  Hybrid:  Fused Deposition Modeling and CNC Machining ............................................. 38 
Chapter 5:  Literature Review and Summary ................................................................................. 40 
5.1  Literature Review on Systems Thinking ......................................................................... 40 
5.2  Literature Review on Knowledge and Complexity ......................................................... 41 
5.3  Literature Review on Decision Making in Additive Manufacturing ............................... 42 
5.4  Literature Review on Additive Manufacturing and FDM ............................................... 44 
5.5  Literature Review on Hybrid Design:  Additive Manufacturing and CNC Machining ..... 46 
5.6  Literature Review on Additive Manufacturing and Tooling Applications ...................... 49 
Chapter 6:  Proposed Hybrid Methodology ................................................................................... 52 
6.1  The Analytic Hierarchy Process ...................................................................................... 52 
6.2  The Developed Hybrid Methodology ............................................................................. 55 
6.2.2  Low Level (Level 4 to 3) Hierarchy Pairwise Comparison ...................................... 56 
6.2.3  Mid‐Level (Level 3 to 2) Hierarchy Pairwise Comparison ...................................... 62 
6.2.4  High‐Level (Level 2 to 1) Hierarchy Pairwise Comparison ..................................... 68 
6.3  Overview of the Hybrid Design and Manufacturing Methodology ................................ 71 
6.4  General Process Comparison Generated by the Methodology ..................................... 73 
6.5  Sensitivity Analysis of the Proposed Hybrid Methodology ............................................ 75 
Chapter 7:  Case Study ................................................................................................................... 82 
7.1  Applying the Hybrid Design and Manufacturing Methodology ..................................... 82 
7.2  Case Study Discussion .................................................................................................... 91 
Chapter 8:  Value ............................................................................................................................ 95 
8.1  Cost and Time Analysis ................................................................................................... 95 
8.2  Value Analysis ................................................................................................................ 99 
Chapter 9:  Complexity ................................................................................................................. 104 
9.1  Original Product Complexity Assessment by Urbanic and ElMaraghy ......................... 104 
9.2  Rationale for Product Complexity Assessment Utilization and Adaptation ................ 106 
9.3  Product Complexity Assessment for Hybrid Design and Manufacturing ..................... 109 
9.4  Product Complexity Assessment Applied to Case Study.............................................. 113 
Chapter 10:  Discussion, Conclusions, and Future Work ............................................................. 123 
10.1   Discussion ................................................................................................................. 123 
viii
10.1.1  Concurrent Processes .......................................................................................... 123 
10.1.2  Part Accuracy ....................................................................................................... 123 
10.1.3   Modularization and Assembly ............................................................................. 124 
10.1.4   The AHP Model and Sensitivity Analysis .............................................................. 125 
10.1.5   Value .................................................................................................................... 126 
10.1.6  Complexity ........................................................................................................... 126 
10.1.7  Research Roadmap .............................................................................................. 127 
10.2  Conclusions .................................................................................................................. 128 
10.3  Future Work ................................................................................................................. 132 
Chapter 11:  References ............................................................................................................... 133 
Vita Auctoris ................................................................................................................................. 156 

ix