Novel architected materials for advanced topology optimization utilizing additive manufacturing technologies
Authors: Κλαδοβασιλάκης Νικόλαος 
Published: June 2023

Την τελευταία δεκαετία, η βελτιστοποίηση τοπολογίας των τρισδιάστατων σχεδίων αναδύθηκε λόγω της ανάπτυξης εξελιγμένου λογισμικού σχεδιασμού και της εμπορευματοποίησης προηγμένων μεθόδων κατασκευής, όπως τεχνολογιών προσθετικής κατασκευής. Έτσι, η βελτιστοποίηση τοπολογίας έχει αποκτήσει αυξημένο επιστημονικό και εμπορικό ενδιαφέρον για την παραγωγή εξαρτημάτων με βέλτιστο σχεδιασμό όσον αφορά τη λειτουργικότητα, την αξιοπιστία και την αναλογία αντοχής προς βάρος. Προς αυτή την κατεύθυνση, η συγκεκριμένη διδακτορική διατριβή στοχεύει να παρουσιάσει μια ενημερωμένη τεχνική και βιβλιογραφική ανασκόπηση σε συνδυασμό με εις βάθος μελέτες και διαδικασίες βελτιστοποίησης για μια από τις πιο προηγμένες διαδικασίες βελτιστοποίησης τοπολογίας. Πιο συγκεκριμένα, στο πρώτο και το δεύτερο κεφάλαιο της παρούσας διατριβής, περιγράφονται οι αρχές της βελτιστοποίησης τοπολογίας μαζί με τις πιο διαδεδομένες προσεγγίσεις βελτιστοποίησης τοπολογίας, δηλαδή τη element-based και τη discrete/truss-based. Στη συνέχεια, η διατριβή εστιάζει στην πιο σύνθετη και προηγμένη προσέγγιση, ιδιαίτερα στη discrete/truss-based. Αυτή η προσέγγιση χρησιμοποιεί αρχιτεκτονικά υλικά που παρέχουν μια πληθώρα πρόσθετων πλεονεκτημάτων σε ένα τοπολογικά βελτιστοποιημένο αντικείμενο, όπως ελαφριά κατασκευή, υψηλό πορώδες και μεγάλο λόγο επιφάνειας προς όγκο. Η χρήση αυτών των πλεονεκτημάτων σε εμπορικές εφαρμογές έχει επίσης καταγραφεί στο τρέχον χειρόγραφο. Στο τρίτο κεφάλαιο, παρουσιάζονται οι μέθοδοι κατασκευής που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή αυτών των πολύπλοκων δομών. Ειδική αναφορά έχει γίνει για τις κατηγορίες προσθετικής κατασκευής. Επίσης, παρουσιάζονται οι χρησιμοποιούμενες τεχνικές προσθετικής κατασκευής και οι διαδικασίες βελτιστοποίησής τους, που έχουν πραγματοποιηθεί στο πλαίσιο της παρούσας διατριβής, προκειμένου να παραχθεί το βέλτιστο αποτέλεσμα.Στο τέταρτο και πέμπτο κεφάλαιο πραγματοποιήθηκε η αξιολόγηση των υπαρχόντων αρχιτεκτονικών υλικών με βάση τη βιβλιογραφία και τις μελέτες που έγιναν. Πιο συγκεκριμένα, πολυάριθμα υπάρχοντα και πιο διαδεδομένα αρχιτεκτονικά υλικά διερευνήθηκαν μέσω της βιβλιογραφίας ως προς το σχεδιασμό, την ανισοτροπία, τη μηχανική τους συμπεριφορά και την απορρόφηση ενέργειας. Επιπλέον, στο πλαίσιο αυτής της διατριβής σχεδιάστηκαν και κατασκευάστηκαν οκτώ διαφορετικά αρχιτεκτονικά υλικά με σκοπό τη βελτίωση της υπάρχουσας βιβλιοθήκης διαφορετικών αρχιτεκτονικών υλικών. Αναλυτικά, μέσα από τα σχέδια και τα κατασκευασμένα δοκίμια, περιεγράφηκε μαθηματικά η σχέση της σχετικής πυκνότητας με τις παραμέτρους που σχετίζονται με το σχεδιασμό. Επιπλέον, η μηχανική συμπεριφορά κάθε εξεταζόμενου αρχιτεκτονικού υλικού διερευνήθηκε μέσω αριθμητικών εργαλείων και μηχανικών πειραμάτων. Στο έκτο κεφάλαιο, η βιβλιοθήκη υλικών που αναπτύχθηκε χρησιμοποιήθηκε για το σχεδιασμό και τη δημιουργία νέων και καινοτόμων υβριδικών αρχιτεκτονικών υλικών που έχουν πιο σύνθετη γεωμετρία και επιδεικνύουν ανώτερη μηχανική απόδοση. Επιπλέον, προτάθηκαν και εξετάστηκαν μέθοδοι λειτουργικής διαβάθμισης της σχετικής πυκνότητας και της δημιουργίας σύνθετων αρχιτεκτονικών υλικών, προκειμένου να βελτιωθούν συγκεκριμένες πτυχές της μηχανικής συμπεριφοράς του υλικού. Αξίζει να σημειωθεί ότι στην παρούσα διατριβή, διερευνήθηκαν και αξιοποιήθηκαν οι συνολικές μηχανικές συμπεριφορές των εξεταζόμενων αρχιτεκτονικών υλικών τόσο για πολυμερή υλικά κατασκευής, δηλαδή υλικών PA12, PLA, και PCL, όσο και για μεταλλικό, δηλαδή Inconel 718.Στο τελευταίο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι τρεις περιπτωσιολογικές μελέτες αξιοποιώντας τα δεδομένα που αποκτήθηκαν από τα αρχιτεκτονικά υλικά και τις μεθόδους βελτιστοποίησής τους. Αναλυτικά, δύο περιπτωσιολογικές μελέτες ήταν εμβιομηχανικές εφαρμογές, συγκεκριμένα ένα βιο-απορροφήσιμο πολυμερές κνημιαίο ικρίωμα και ένα νέο μεταλλικό κνημιαίο εμφύτευμα για αρθροπλαστική γόνατου. Στην τρίτη μελέτη περίπτωσης, πραγματοποιήθηκε η ανάπτυξη ενός ελαφριού κράνους ποδηλασίας, κατασκευασμένου με αρχιτεκτονικά υλικά, με στόχο την αυξημένη μηχανική αντοχή και την ενισχυμένη απορρόφηση ενέργειας.