Topology optimization of an object for additive manufacturing
Authors: Ντιντάκης Ιωάννης 
Published: December 2022

Οι μηχανικοί σχεδίασης προϊόντων αποσκοπούν στη σχεδίαση νέων, καινοτόμων προϊόντων τα οποία θα ανταποκρίνονται ισάξια τόσο στις ανάγκες των χρηστών όσο και των κατασκευαστών. Η διαδικασία σχεδίασης ενός νέου προϊόντος ακολουθεί μια διαδικασία αρκετά τυποποιημένη, που ξεκινά από τη σύλληψη της ιδέας, συνεχίζεται με τη δημιουργία δισδιάστατων και τρισδιάστατων σχεδίων και ολοκληρώνεται με τη δημιουργία πρωτοτύπων, από την αξιολόγηση των οποίων θα κριθεί η απόφαση για συνέχιση στο στάδιο της παράγωγής ή για αναθεώρηση των δεδομένων της σχεδιομελέτης. Είναι σημαντικό, να ληφθούν υπόψη όλοι οι παράγοντες που θα διαμορφώσουν τις προδιαγραφές του νέου προϊόντος και να συνεκτιμηθούν. Η διαδικασία αυτή μόνο εύκολη δεν είναι και απαιτεί χρόνο και πόρους. Σε αυτή την προσπάθεια, σύγχρονα εργαλεία που ανήκουν στο φάσμα της υπολογιστικής μηχανικής όπως η τοπολογική βελτιστοποίηση και ο γενετικός σχεδιασμός μπορούν να συμβάλλουν με κρίσιμο τρόπο στη λήψη των αποφάσεων. Παράλληλα, η αξιοποίηση της προσθετικής κατασκευής μπορεί συμβάλει αποφασιστικά όχι μόνο για τη δημιουργία πρωτοτύπων για αξιολόγηση αλλά και τελικών, έτοιμων προς χρήση, προϊόντων. Στην παρούσα διατριβή μελετάται η αξιοποίηση της τοπολογικής βελτιστοποίησης και του γενετικού σχεδιασμού σε μελέτες περίπτωσης προϊόντων ή εξαρτημάτων. Συγκεκριμένα, μελετάται η σχεδίαση ενός σχεδίου τραπεζιού από το στάδιο της ανάπτυξης των αρχικών ιδεών. Στη συνέχεια, μελετάται η βέλτιστη σχεδίαση υφιστάμενων μηχανολογικών εξαρτημάτων. Οι σημαντικές δυνατότητες που προσφέρει η προσθετική κατασκευή, για την παραγωγή δομών υψηλής πολυπλοκότητας από μεγάλο εύρος υλικών, οδηγεί στην αξιοποίηση δομών που σε αντίθετη περίπτωση δεν θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν σε εύρος παραγωγής. Χαρακτηριστικό είναι το παράδειγμα των αυξητικών υλικών οι ιδιότητες των οποίων είναι ασυνήθιστες. Ορίζονται ως αυξητικά καθώς έχουν αρνητικό λόγο Poisson. Η αυξητική συμπεριφορά προκύπτει από την ειδική δομή τους και τον τρόπου με τον οποίο παραμορφώνονται όταν φορτιστούν. Σημαντικά χαρακτηριστικά των αυξητικών υλικών είναι η αντοχή σε θραύση αλλά και σε κρούση. Στην παρούσα διατριβή ερευνάται η αξιοποίηση αυξητικών υλικών σε δυναμικό πρόβλημα κρούσης από σφαίρα. Από τα αποτελέσματα προκύπτει ευνοϊκότερη συμπεριφορά σε σύγκριση με μη αυξητική δομή. Η ικανότητα της προσθετικής κατασκευής να χρησιμοποιείται για την κατασκευή δομών στιβαρών χαμηλού βάρους οφείλεται σε σημαντικό βαθμό στη χρήση δομών πλήρωσης. Στην παρούσα διατριβή χρησιμοποιείται μια υβριδική προσέγγιση για το σχεδιασμό νέων δομών πλήρωσης. Οι δομές προκύπτουν από την αξιοποίηση της τοπολογικής βελτιστοποίησης. Εξαιτίας όμως, της αδυναμίας ελέγχου άλλων ιδιοτήτων της προκύπτουσας δομής πέρα από την εύρεση της βέλτιστης λύσης για την κατανομή του υλικού χρησιμοποιείται συνδυαστικά και η κλασική μέθοδος της ομογενοποίησης. Σκοπός είναι να ελεγχθεί πρώτα αριθμητικά η ισοτροπία της δομής με τον υπολογισμό του λόγου zener και του μέτρου ελαστικότητας Young. Από τα αποτελέσματα της αριθμητικής μεθόδου προκύπτει η ανισοτροπία των δομών. Στη συνέχεια, χρησιμοποιείται ένα αντιπροσωπευτικό δείγμα των μικροδομών και ελέγχονται ως υλικό πλήρωσης σε μοντέλο δοκού. Έπειτα, εκτυπώνονται τρισδιάστατες πλεγματικές δομές πλήρωσης με σκοπό την αξιολόγηση τους πειραματικά με τη διενέργεια ελέγχου σε κάμψη αλλά και εφελκυσμό. Από τα αποτελέσματα προκύπτει η επαλήθευση των αποτελεσμάτων της αριθμητικής ομογενοποίησης.