Βιομηχανική παραγωγή προϊόντων μικρής ή μεσαίας κλίμακας με χρήση μεθόδων ταχείας πρωτοτυποποίησης, παραμετρικής σχεδίασης & ανάλυσης

Abstract

“Additive Manufacturing” (AM) is the now established term for what in previous years was called “Rapid Prototyping” and is better known to the general public as “3D Printing”. Referring to AM technology, we describe a specialized process of synthesizing various materials, mainly polymers and metals, in order to manufacture objects from digital models (CAD) using a wide range of different technologies that are all based on the technique of adding successive layers. This method differs from classic manufacturing methods in industry because it adds material in layers and does not remove or cast material. With the use of AM technology, modern industry mainly aims to create new innovative structures that will solve problems in the production of complex geometries. The manufacture of products with PC technology is part of a wider range of new technologies such as Artificial Intelligence (AI), the Internet of Things (IoT), Virtual and Augmented Reality (VR, AR), etc., which together constitute the fourth industrial revolution (industry 4.0), constantly gaining ground in the technological race of the era due to the reduction of production costs, the low complexity of the technology processes and the high complexity of the produced structures that can be implemented in a short period of time. The use of PC in industry contributes both to the creation of prototype models for evaluation before mass production, and to the manufacture of complete and ready-to-use products. However, this innovative method, based on the structuring of products in layers, presents many problems in the field of durability, aesthetics and mass production time of products in terms of industrial production. In the field of durability, the basic structures of products produced with PF technology depend on many parameters, such as the materials, the chosen manufacturing technique, the construction parameters of the machines, with the most important factor being the mechanical properties of the products, the internal arrangement of their structure. The internal structure of PF products is defined before manufacturing by the software that accompanies the PF machines and is most often a percentage of one hundred of their total mass with the ultimate aim of increasing printing speed, reducing total mass and of course, production costs. The gaps in the internal structures and the percentage of filling inside the PC products are distinguished in many patterns which are defined entirely by the software that accompanies the PC machines. Throughout our research, it was found that these softwares have limited capabilities regarding both the position they place the internal pattern of the products and the parametric management of their geometry by areas of the solid with the aim of their optimal construction. Knowing from numerous studies that both the gap filling percentage and the shape of the internal structure directly affect the strength of the produced PC products, it is evident that with the use of the software that accompanies the PC machines, it becomes difficult or even impossible to control the overall and local strength of the manufactured products, which directly affects both the production time and16quality and thus constitutes one of the biggest problems of PC technology in mass industrial production. In this thesis, ways are studied that help PC technology to be integrated into the mass production of small and medium-scale industrial products with a focus mainly on the way of manufacturing their internal structures, their position and their pattern. The research begins with the integration of the sub-products that compose an object into a final product in the industry with the ultimate aim of reducing the manufacturing and assembly time of the products. Then, ways of increasing their strength and reducing their mass are investigated with the use of epoxy resins and appropriately shaped gaps, while our research ultimately leads to the study of the distribution of the internal gaps of the produced PC products given their great influence on their strength and modulus of elasticity. More specifically, it focuses on the influence exerted by the design parameters that define the internal structure of lattices under specific loading conditions and proposes a specific method of construction of their internal structures, based on the distribution of stresses and with the ultimate aim of controlling their mechanical properties with various applications, such as acquiring the property of products to remain safe after their failure during use (Fail-Safe Products). In this thesis, a parametric applied design system (CAD) and application

«Προσθετική Κατασκευή» (ΠΚ) είναι ο καθιερωμένος πλέον όρος αυτού που τα προηγούμενα χρόνια αποκαλείτο «Ταχεία Πρωτοτυποποίηση» και είναι περισσότερο γνωστή στο ευρύ κοινό ως «Τριδιάστατη Εκτύπωση». Αναφερόμενοι στην τεχνολογία ΠΚ περιγράφουμε μία εξειδικευμένη διαδικασία σύνθεσης διαφόρων υλικών, κυρίως πολυμερών και μετάλλων, προκειμένου να κατασκευάσουμε αντικείμενα από ψηφιακά μοντέλα (CAD) με τη χρήση μίας μεγάλης γκάμας διαφορετικών τεχνολογιών που βασίζονται όλες στην τεχνική της προσθήκης διαδοχικών στρωμάτων. Η μέθοδος αυτή διαφοροποιείται από τις κλασσικές μεθόδους κατασκευής στην βιομηχανία λόγω του ότι προσθέτει υλικό σε επίπεδα και δεν αφαιρεί η χυτεύει υλικό. Με την χρήση της τεχνολογίας Προσθετικής Κατασκευής η σύγχρονη βιομηχανία αποβλέπει κυρίως στην δημιουργία νέων καινοτόμων κατασκευών που θα επιλύουν προβλήματα στην παραγωγή πολύπλοκων γεωμετριών. Η κατασκευή προϊόντων με την τεχνολογία ΠΚ εντάσσεται σε μία ευρύτερη γκάμα νέων τεχνολογιών όπως είναι η Τεχνητή νοημοσύνη (AI), το internet of things (IoT), τα Virtual και Augmented Reality (VR,AR), κ.α, που όλες μαζί συνθέτουν την τέταρτη βιομηχανική επανάσταση (industry 4.0), κερδίζοντας συνεχώς έδαφος στον τεχνολογικό αγώνα της εποχής λόγω της μείωσης του κόστους παραγωγής, της μικρής πολυπλοκότητας των διεργασιών της τεχνολογίας και της μεγάλης πολυπλοκότητας των παραγόμενων δομών που μπορεί να υλοποιήσει σε μικρό χρονικό διάστημα. Η αξιοποίηση της ΠΚ στην βιομηχανία συμβάλλει τόσο στην δημιουργία πρωτότυπων μοντέλων προς αξιολόγηση πριν την μαζική παραγωγή, αλλά και στην κατασκευή ολοκληρωμένων κι έτοιμων προς χρήση προϊόντων. Παρόλα αυτά η καινοτόμος αυτή μέθοδος, βασιζόμενη στην δόμηση των προϊόντων σε επίπεδα, εμφανίζει πολλά προβλήματα στον τομέα της αντοχής, της αισθητικής και του χρόνου μαζικής παραγωγής των προϊόντων όσον αφορά την βιομηχανική παραγωγή. Στον τομέα της αντοχής, οι βασικές δομές των παραγόμενων προϊόντων με την τεχνολογία ΠΚ εξαρτάται από πολλές παραμέτρους, όπως είναι τα υλικά, η επιλεγείσα τεχνική κατασκευής, οι κατασκευαστικές παράμετροι των μηχανών, με σημαντικότερο παράγοντα αναφορικά με τις μηχανικές ιδιότητες των προϊόντων, την εσωτερική διάταξη της δομής τους. Η εσωτερική δομή των προϊόντων ΠΚ ορίζεται πριν την κατασκευή από τα λογισμικά που συνοδεύουν τις μηχανές ΠΚ και είναι τις περισσότερες φορές σε ποσοστό επί της εκατό της συνολικής τους μάζας με απώτερο σκοπό την αύξηση της ταχύτητας εκτύπωσης, την μείωση της συνολικής μάζας και φυσικά του κόστους παραγωγής. Τα διάκενα στις εσωτερικές δομές αλλά και το ποσοστό πληρώσεως εσωτερικά των προϊόντων ΠΚ, διακρίνονται σε πολλά μοτίβα τα οποία ορίζονται εξολοκλήρου από τα λογισμικά που συνοδεύουν τις μηχανές ΠΚ. Καθ’ όλη την έρευνα μας διαπιστώθηκε ότι τα λογισμικά αυτά εμφανίζουν περιορισμένες δυνατότητες αναφορικά τόσο με την θέση που τοποθετούν το εσωτερικό μοτίβο των προϊόντων όσο και με την παραμετρική διαχείριση της γεωμετρίας τους ανά περιοχές του στερεού με σκοπό την βέλτιστη κατασκευή τους. Γνωρίζοντας από πληθώρα μελετών ότι, τόσο το ποσοστό πληρώσεως των διάκενων όσο και η μορφή της εσωτερικής δομής επηρεάζουν άμεσα την αντοχή των παραγόμενων προϊόντων ΠΚ είναι εμφανές ότι με τη χρήση των λογισμικών που συνοδεύουν τις μηχανές ΠΚ καθίσταται δύσκολος έως και αδύνατος ο συνολικός αλλά και ο τοπικός έλεγχος της αντοχής των προϊόντων κατασκευής, γεγονός που επηρεάζει άμεσα τόσο τον χρόνο παραγωγής όσο και την ποιότητα και αποτελεί έτσι, ένα από τα μεγαλύτερα προβλήματα της τεχνολογίας ΠΚ στην μαζική βιομηχανική παραγωγή. Στην παρούσα διατριβή μελετώνται τρόποι που βοηθούν την τεχνολογία ΠΚ να ενταχθεί στην μαζική παραγωγή βιομηχανικών προϊόντων μικρής και μεσαίας κλίμακας με εστίαση κυρίως στον τρόπο κατασκευής των εσωτερικών δομών τους, στη θέση τους και στο μοτίβο τους. Η έρευνα ξεκινά με την ενσωμάτωση των υπό προϊόντων που συνθέτουν ένα αντικείμενο σε ένα τελικό προϊόν στην βιομηχανία με απώτερο σκοπό την μείωση του χρόνου κατασκευής και συναρμογής των προϊόντων. Στη συνέχεια διερευνώνται τρόποι αύξησης της αντοχής και μείωσης της μάζας τους με την χρήση εποξειδικών ρητινών και κατάλληλα διαμορφωμένων διάκενων, ενώ η έρευνα μας οδηγείται τελικά στην μελέτη του τρόπου κατανομής των εσωτερικών διάκενων των παραγόμενων προϊόντων ΠΚ δεδομένης της μεγάλης επιρροής τους στην αντοχή και το μέτρο ελαστικότητάς τους. Πιο συγκεκριμένα, εστιάζει στην επιρροή που ασκούν οι σχεδιαστικές παράμετροι που ορίζουν την εσωτερική δομή των δικτυωμάτων κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες φόρτισης και προτείνει συγκριμένη μέθοδο κατασκευής των εσωτερικών τους δομών, βασιζόμενη στην κατανομή των τάσεων και με απώτερο σκοπό τον έλεγχο των μηχανικών τους ιδιοτήτων με ποικίλες εφαρμογές, όπως την απόκτηση της ιδιότητας των προϊόντων να παραμένουν ασφαλή μετά από την αστοχία τους κατά την χρήση (Fail-Safe Προϊόντα). Στην παρούσα διατριβή χρησιμοποιείται παραμετρικό σύστημα εφαρμοσμένης σχεδίασης (CAD) και εφαρμόζεται η έννοια της «Σχεδιαστικής Πρόθεσης» ενώ για την βελτιστοποίηση της γεωμετρίας των παραγόμενων εσωτερικών δομών χρησιμοποιούνται συστήματα πεπερασμένων στοιχείων. Η ερευνητική μεθοδολογία αποτελείται από μία εξελικτική πορεία αναζήτησης των λύσεων που βοηθούν την τεχνολογία ΠΚ να ενταχθεί στην μαζική παραγωγή βιομηχανικών προϊόντων μικρής και μεσαίας κλίμακας καταλήγοντας σε μία νέα μεθοδολογία που βασίζεται στην ανακατανομή της μάζας στην εσωτερική δομή των προϊόντων ΠΚ, βασιζόμενη στο μοτίβο της κατανομής τάσεων κατά την φόρτιση αυτών. Τα υλικά που μελετώνται είναι κυρίως πολυμερή και η βασική τεχνική προσθετικής κατασκευής είναι η FDM (Fused Deposition Modelling) γνωστή κι ως FFF(Fused Filament Fabrication). Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μία σύντομη ιστορική αναδρομή της εξέλιξης της τεχνολογίας και των τεχνικών της Προσθετικής Κατασκευής αναφερόμενοι στα σημαντικότερα επιτεύγματα σταθμούς σε πολλούς τομείς της σύγχρονης βιομηχανίας, όπως ιατρική, αρχιτεκτονική, αεροναυπηγική, κ.α. Γίνεται επίσης αναφορά στα θετικά και αρνητικά στοιχεία της τεχνολογίας στην βιομηχανία καθώς επίσης και μία βιβλιογραφική ανασκόπηση σχετικά με την επίδραση των κατασκευαστικών παραμέτρων της ΠΚ αναφορικά με την επίδρασή τους στην αντοχή και την ποιότητα των τελικών προϊόντων στην βιομηχανία αλλά και της τεχνολογίας των υλικών που χρησιμοποιούνται σε αυτήν. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζεται η ανασκόπηση της βιβλιογραφίας που διενεργήθηκε σχετικά με τον τρόπο διαμόρφωσης και διαχείρισης των εσωτερικών δομών στα προϊόντα ΠΚ με έμφαση στην επίλυση προβλημάτων κυρίως αναφορικά με τις μηχανικές ιδιότητες των προϊόντων και με απώτερο σκοπό την ένταξή τους σε μεγαλύτερη κλίμακα για την παραγωγή εξαρτημάτων που ευνοεί την βιομηχανία. Η βιβλιογραφική έρευνα επικεντρώνεται επίσης στην χρήση συστημάτων πεπερασμένων στοιχείων (FEA). Έτσι, μελετήθηκε κυρίως ο τρόπος μείωσης του χρόνου και εν γένει του κόστους κατασκευής αλλά και βελτιστοποίησης της αντοχής των προϊόντων ΠΚ με την χρήση εσωτερικών δικτυωμάτων, αλλά και με την αλλαγή των κατασκευαστικών παραμέτρων των λογισμικών που συνοδεύουν τις μηχανές ΠΚ. Στο τρίτο κεφάλαιο μελετάται η ενσωμάτωση πολλών μερών ενός σύνθετου προϊόντος στην κύρια γεωμετρία του που επιτυγχάνεται κατά τη διαδικασία σχεδιασμού, χρησιμοποιώντας ένα παραμετρικό σύστημα σχεδίασης και εισάγοντας όλες τις απαιτούμενες σχεδιαστικές πληροφορίες με την χρήση της έννοιας της σχεδιαστικής πρόθεσης, παράγοντας λειτουργικά προϊόντα όπου τα ενσωματωμένα κινούμενα μέρη εκτελούν την ίδια λειτουργία αν αποτελούνταν από ξεχωριστά κομμάτια και παρουσιάζουν την ίδια ή και μεγαλύτερη αντοχή αναφορικά με την κατεύθυνση φόρτισής τους κατά την χρήση. Στο τέταρτο κεφάλαιο δημιουργήθηκε μία νέα διάταξη μέτρησης του μέτρου ελαστικότητας των πολυμερών χρησιμοποιώντας την έννοια της σχεδιαστικής πρόθεσης σε συνδυασμό με την δυνατότητα δημιουργίας πολύπλοκων γεωμετριών που επιτυγχάνει η ΠΚ και της ενσωμάτωσης των επιμέρους μερών του προϊόντος όπως αποδείχθηκε στην αρχική μας έρευνα, με απώτερο σκοπό την σύγκριση της ακαμψίας και εν γένη του μέτρου ελαστικότητας των υλικών που προμηθεύεται ο εκάστοτε χρήστης της τεχνολογίας ΠΚ. Στο πέμπτο κεφάλαιο διερευνάται η επίδραση της έκχυσης εποξειδικής ρητίνης εσωτερικά σε ειδικά σχεδιασμένα διάκενα των προϊόντων ΠΚ με βασικό στόχο την δημιουργία ενός σύνθετου υλικού με αυξημένη αντοχή έναντι των χαμηλών μηχανικών ιδιοτήτων των απλών προϊόντων προσθετικής κατασκευής . Η δημιουργία των διάκενων εσωτερικά κατά την έρευνα που πραγματοποιήθηκε στο πέμπτο κεφάλαιο αποτέλεσε σταθμό για το έκτο κεφάλαιο με την περαιτέρω συνέχιση της έρευνας μας αναφορικά με την αντοχή των προϊόντων ΠΚ όπου μελετήθηκε η κατανομή των τάσεων αναφορικά με την συμπεριφορά της αντοχής των πολυμερών προϊόντων και με την τοποθέτηση κατάλληλα παραμετροποιημένων δικτυωμάτων εσωτερικά των δομών τους, μειώνοντας συγχρόνως την μάζα τους σε επιλεγμένα σημεία, πάντα βάση του μοτίβου της κατανομής των τάσεων που προκύπτει κατά την ανάλυση με την χρήση πεπερασμένων στοιχείων. Στο έβδομο κεφάλαιο η έρευνά μας επικεντρώνεται στην επίδραση των δικτυωμάτων σε κατάλληλα επιλεγμένες περιοχές εσωτερικά των δομών των προϊόντων ΠΚ, προσδίδοντάς τους την ιδιότητα να μπορούν να είναι ασφαλή σε περίπτωση αστοχίας κατά την χρήση τους. Στο όγδοο κεφάλαιο αναπτύσσεται μία νέα μεθοδολογία σχεδιασμού της εσωτερικής δομής των προϊόντων προσθετικής κατασκευής όπου με τη χρήση συστήματος CAE, μελετάται η κατανομή των τάσεων και εντοπίζονται οι περιοχές με την μεγαλύτερη και μικρότερη τάση οι οποίες αντικαθίστανται στη συνέχεια με δικτυώματα ελεγχόμενης γεωμετρίας και αφαιρείται ποσό μάζας εσωτερικά με σκοπό να προσδώσουν την ιδιότητα στα προϊόντα προσθετικής κατασκευής να συμπεριφέρονται σύμφωνα με ένα προκαθορισμένο σενάριο χρήσης. Η μεθοδολογία εφαρμόζεται στην περίπτωση ενός λεβιέ μοτοσυκλέτας κατά την πτώση της τελευταίας. Ακολουθούν τα γενικά συμπεράσματα της διατριβής, η περιγραφή της πρωτοτυπίας της και οι προτάσεις για μελλοντική έρευνα.