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

Abstract

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