Ανάπτυξη ψηφιακών εργαλείων για το σχεδιασμό και την κατασκευή κομματιών μεταβλητής πυκνότητας με τη μέθοδο της εξώθησης υλικού της προσθετικής κατασκευής

Abstract

Additive Manufacturing is a relatively new class of manufacturing methods that were developed at the end of the 20th century. What, in practice, differentiates Additive Manufacturing methods from standard/conventional manufacturing methods, is their ability to efficiently handle morphological and structural complexity. In the context of the present thesis, the issues concerning the design and fabrication of the manufacturing of heterogeneous structures/objects, i.e. objects with locally defined density and composition, by thermoplastic material extrusion are examined. Three main research questions were identified: a) the fabrication of a heterogeneous structure at the layer level by a single deposition path without interruptions, b) the fabrication of a heterogeneous structure at the object level without the use of internal supporting structures, and c) the fabrication of heterogeneous structures using two materials. To address the above issues, two methodological approaches were developed, the point cloud approach and the grid approach. In the first approach, a cloud of points is aptly distributed at the layer level based on the corresponding bitmap image, and the deposition path is subsequently designed, by defining the visiting sequence of the points through Traveling Salesman Problem optimization techniques. In the grid approach, heterogeneous objects are represented by voxels, which are assigned specific density and/or composition values. The voxels are broken down into sub-elements (laminae, cells and tiles), which are then used to design layer-by-layer deposition paths by joining elementary paths of standard or semi-random shape. Computational and fabrication tests of the developed methodological approaches and algorithms showed that the computational burden is not particularly high, and that it is possible to design and manufacture complex heterogeneous structures/objects satisfying the basic constraints of a single and uninterrupted path per layer and the absence of internal supporting structures. According to the results of the study, it is also possible to extend the specific methodology to two materials, following the appropriate adjustments. Achieving, however uninterrupted paths for both materials faces more constraints and can only be achieved under conditions. Interesting topics for further research, identified during the study, are the development of methods to smooth the deposition path by reducing the number of turning points and the application of the developed methodological techniques employing various material combinations and different Additive Manufacturing technologies.

H Προσθετική Κατασκευή (Additive Manufacturing) αποτελεί μια σχετικά νέα οικογένεια μεθόδων παραγωγής οι οποίες αναπτύχθηκαν τα τέλη του 20ου αιώνα. Αυτό που, πρακτικά, διαφοροποιεί τις τεχνολογίες Προσθετικής Κατασκευής από τις τυπικές τεχνικές κατεργασιών, είναι η δυνατότητα αποτελεσματικότερης διαχείρισης πολύπλοκων μορφολογικά προϊόντων με σαφώς καθορισμένα μορφολογικά χαρακτηριστικά. Στο πλαίσιο της παρούσας διατριβής εξετάζονται τα ζητήματα που αφορούν στον προγραμματισμό της κατασκευής αντικειμένων ετερογενούς δομής με τη μέθοδο της προσθετικής κατασκευής μέσω εξώθησης υλικού (material extrusion additive manufacturing), και συγκεκριμένα της εξώθησης θερμοπλαστικών υλικών (thermoplastic material extrusion) με κύρια ερευνητικά ζητήματα: α) την κατασκευή ετερογενούς δομής σε επίπεδο στρώσης με μια και ενιαία διαδρομή εναπόθεσης χωρίς διακοπές, β) την κατασκευή ετερογενούς δομής σε επίπεδο αντικείμενου χωρίς την χρήση εσωτερικών υποστηρικτικών δομών, και γ) την κατασκευή ετερογενών δομών με χρήση δυο υλικών. Για την επίλυση των παραπάνω θεμάτων αναπτύχθηκαν δύο μεθοδολογικές προσεγγίσεις, η προσέγγιση νέφους σημείων και η προσέγγιση πλέγματος. Στην πρώτη προσέγγιση, ένα νέφος σημείων κατανέμεται τοπικά σε επίπεδο στρώσης με βάση την αντίστοιχη εικόνα bitmap, και στη συνέχεια σχεδιάζεται η διαδρομή εναπόθεσης, η οποία ταυτίζεται με την αλληλουχία επίσκεψης των σημείων, επιλύοντας το πρόβλημα του πλανόδιου πωλητή (Travelling Salesman Problem). Στη προσέγγιση πλέγματος, ο σχεδιασμός της δομής πραγματοποιείται χρησιμοποιώντας τεχνικές αναπαράστασης με εικονοστοιχεία όγκου (voxel), στα οποία αποδίδονται συγκεκριμένες τιμές πυκνότητας ή/και σύστασης. Τα voxel αναλύονται αρχικά σε υπο-στοιχεία (πλακίδια, κύτταρα και ψηφίδες), τα οποία χρησιμοποιούνται στη συνέχεια για τη σχεδίαση των διαδρομών εναπόθεσης ανά στρώση συνθέτοντας πρότυπες στοιχειώδεις διαδρομές ή ακολουθώντας μια ημι-τυχαία διαδικασία ανάπτυξης/σχεδίασης των επιμέρους διαδρομών. Οι υπολογιστικές και κατασκευαστικές δοκιμές των αναπτυχθέντων μεθοδολογικών προσεγγίσεων και αλγορίθμων έδειξαν ότι δεν υπάρχει ιδιαίτερη υπολογιστική επιβάρυνση, καθώς και ότι είναι δυνατός ο σχεδιασμός και η κατασκευή σύνθετων ετερογενών δομών/αντικειμένων ικανοποιώντας τους βασικούς περιορισμούς της ενιαίας και μη διακοπτόμενης διαδρομής ανά στρώση και της απουσίας εσωτερικών υποστηρικτικών δομών. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα της μελέτης είναι, επίσης δυνατή η επέκταση της συγκεκριμένης μεθοδολογίας σε δυο υλικά, ακολουθώντας τις κατάλληλες προσαρμογές. Η επίτευξη, ωστόσο, μη διακοπτόμενων διαδρομών και για τα δύο υλικά μπορεί να επιτευχθεί μόνο υπό προϋποθέσεις. Ενδιαφέροντα θέματα περαιτέρω μελλοντικής έρευνας, που προέκυψαν κατά τη διάρκεια της μελέτης, αποτελούν η ανάπτυξη μεθόδων εξομάλυνσης της διαδρομής εναπόθεσης μέσω μείωσης του αριθμού των σημείων καμπής και η εφαρμογή των αναπτυχθέντων μεθοδολογικών τεχνικών χρησιμοποιώντας διάφορους συνδυασμούς υλικών και άλλες τεχνολογίες Προσθετικής Κατασκευής, πέραν της εξώθησης υλικού.