Xρήση καινοτόμων τεχνολογιών 3D σχεδίασης, 3D σάρωσης και 3D εκτύπωσης στη διερεύνηση αρχαιολογικών ευρημάτων και άλλων αντικειμένων και κατασκευή πιστών αντιγράφων τους: η περίπτωση του μηχανισμού των Αντικυθήρων

Abstract

The PhD embodies the investigation, the 3D design and the selection of the optimal manufacturing technique for the production of high complexity objects, mainly from the archaeological domain. The research focuses on the investigation of which manufacturing method was used in the antiquity for the production of these objects, their usage and their structure, as well as the construction of accurate replicas or replicas in scale. The production of these replicas was nonrecurring or small series production. For the accomplishment of the research, many manufacturing techniques were studied and used, which they have been assessed in order to choose the premier for every object. Due to the complexity of the geometry of the objects, emphasis was placed in the Additive Manufacturing procedures (3D printing), which they proved to be the most suitable for the variety of the objects after all. Simultaneously, conventional manufacturing methods, as well as CNC technologies for material removal and the lost wax casting procedure were used. At the same time, the recording of the 3D geometry of this type of objects was studied, either with reverse engineering techniques using various 3d scanning methods or directly by making a 3D design using a specialized CAD software. The main part of the PhD is the investigation, the 3D design and the construction of accurate-functional replicas of the Antikythera Mechanism. The Antikythera Mechanism is a high-complexity mechanical device of antiquity, with several gears, shafts, moving parts and plates with engraved texts and intricate geometries (e.g. spirals). On account of the terrible condition of the fragments, the values of the measurements have dimensional deviations. This fact has led to non-functional replicas. For that reason it was necessary to develop specific mathematical relations for the calculation of the geometrical parameters of gears with triangular teeth. Then it was necessary to develop programming codes so as to make all the needed calculations. For the creation of a complete digital document of the Antikythera Mechanism, which will include all of the parts intact and at specific positions, it was considered that a 3D design of every part and the whole device was required. The 3D design based on reverse engineering, through the processing of the 3D scanning data of the fragments (X-Ray) in order to take all the necessary measurements of the geometrical parameters of every part as well as the measurements of the positions of every part. The whole device composed of 37 gears, 2 crown-gears, 20 cylindrical shafts, 3 internal plates for the support of the parts, 4 external plates with the indications and 7 pointers of the indications. With reference to the construction of the physical replicas of the Mechanism, was investigated and picked the most suitable manufacturing method for the production of every part, taking into account the functionality of the device, the quality of the constructed parts and the costs of the procedures so as to build replicas in a reasonable price. They have been used CNC technologies of material removal, additive manufacturing and rapid manufacturing. During the PhD, replicas in scale 1:1, 3:1 and 4:1 and accurate replicas of the four basic fragments of the Mechanism have been produced, using 3D printing technologies.

Η διατριβή περιλαμβάνει την μελέτη, τον σχεδιασμό και την κατασκευή αντικειμένων πολύπλοκης γεωμετρίας, τα οποία ανήκουν κυρίως στον χώρο της αρχαιολογίας. Σκοπός της ήταν η διερεύνηση του τρόπου κατασκευής των αντικειμένων αυτών στην αρχαιότητα, της χρήσης, της δομής και της λειτουργίας τους καθώς επίσης και η κατασκευή πιστών αντιγράφων τους ή αντιγράφων υπό κλίμακα. Η κατασκευή αυτών των αντικειμένων αφορούσε μεμονωμένα τεμάχια ή παραγωγή μικρής κλίμακας. Για την διεκπεραίωση της έρευνας, μελετήθηκαν και χρησιμοποιήθηκαν πολλές μέθοδοι κατασκευής, οι οποίες αξιολογήθηκαν ώστε να επιλεχτεί η καταλληλότερη για την κατασκευή του εκάστοτε αντικειμένου. Λόγω της πολυπλοκότητας της μορφής των αντικειμένων που μελετήθηκαν, δόθηκε μεγάλη έμφαση στις τεχνολογίες προσθήκης υλικού (3D εκτύπωση), οι οποίες εν τέλη απεδείχθη ότι ήταν και οι καταλληλότερες για την κατασκευή της πλειοψηφίας των αντικειμένων. Παράλληλα μελετήθηκαν και χρησιμοποιήθηκαν συμβατικές μέθοδοι κατασκευής, CNC τεχνολογίες αφαίρεσης υλικού, όπως επίσης και η μέθοδος της χύτευσης με τηκόμενα μοντέλα. Παράλληλα, μελετήθηκε η καταγραφή της τρισδιάστατης γεωμετρίας τέτοιων αντικειμένων, είτε με χρήση τεχνολογιών αντίστροφης μηχανολογίας, χρησιμοποιώντας διάφορες μεθόδους 3D σάρωσης, είτε απευθείας με 3D σχεδιασμό σε συστήματα CAD. Η μελέτη, ο σχεδιασμός σε Η/Υ και η κατασκευή πιστών και λειτουργικών αντιγράφων του Μηχανισμού των Αντικυθήρων, είναι το μεγαλύτερο τμήμα της διατριβής. Ο Μηχανισμός αποτελεί μια εξαιρετικά σύνθετη μηχανολογική διάταξη της αρχαιότητας, με πλήθος οδοντωτών τροχών, αξόνων, κινούμενων μερών και πλακών με εγχάρακτα κείμενα και σύνθετες γεωμετρίες (π.χ. ελικοειδείς σπείρες). Λόγω της κακής κατάστασης των θραυσμάτων του αρχαίου Μηχανισμού, οι μετρήσεις που προέκυψαν από τις τομογραφίες παρουσιάζουν μεγάλες διαστασιολογικές αποκλίσεις, γεγονός που οδηγούσε σε μη λειτουργικά αντίγραφα. Αυτό με την σειρά του οδήγησε στην ανάγκη δημιουργίας κατάλληλων μαθηματικών σχέσεων για τον υπολογισμό των γεωμετρικών παραμέτρων οδοντωτών τροχών με τριγωνική οδόντωση και την ανάπτυξη λογισμικών για τον προσδιορισμό των παραμέτρων αυτών. Για τη δημιουργία ενός πλήρους ψηφιακού αρχείου του Μηχανισμού των Αντικυθήρων, το οποίο θα περιείχε όλα τα εξαρτήματα ακέραια και σε απόλυτες θέσεις, κρίθηκε απαραίτητος ο τρισδιάστατος σχεδιασμός του κάθε εξαρτήματος ξεχωριστά και στη συνέχεια της συναρμολογημένης μηχανολογικής διάταξης. Ο σχεδιασμός βασίστηκε κατά κύριο λόγο στη λογική της αντίστροφης μηχανολογίας, μέσω της επεξεργασίας αρχείων 3D σάρωσης των θραυσμάτων του Μηχανισμού, λαμβάνοντας τα στοιχεία της γεωμετρίας των εξαρτημάτων και τη θέση τους από αρχεία αξονικών τομογραφιών. Η πλήρης διάταξη, αποτελείται από 37 οδοντωτούς τροχούς, 2 οδοντωτές κορώνες, 20 κυλινδρικούς φορείς (άξονες και άτρακτοι), 3 εσωτερικές πλάκες στήριξης των εξαρτημάτων, 4 εξωτερικές πλάκες ενδείξεων και 7 δείκτες ενδείξεων. Όσον αφορά την κατασκευή των φυσικών μοντέλων του Μηχανισμού έγινε διερεύνηση και επιλογή της βέλτιστης τεχνολογίας κατασκευής των επιμέρους εξαρτημάτων με κριτήρια, τη λειτουργικότητα του Μηχανισμού, την ποιότητα της κατασκευής και το κόστος κατασκευής των αντιγράφων. Έγινε χρήση διαφόρων CNC τεχνολογιών αφαίρεσης υλικού, ταχείας πρωτοτυποποίησης και rapid manufacturing. Στα πλαίσια της διατριβής κατασκευάστηκαν μοντέλα σε κλίμακα 1:1, 3:1 και 4:1 καθώς και πιστά αντίγραφα των τεσσάρων βασικότερων θραυσμάτων του Μηχανισμού με χρήση 3D εκτύπωσης.