title: Τοπολογική βελτιστοποίηση και προσθετική κατασκευή μετάλλου
title: Topology optimization and metal additive manufacturing
Creators: name: Γιαννης Δημητριος
Publisher: name: Technical University of Crete
Year: 2022

description: Από αρχαιοτάτων χρόνων ο άνθρωπος προσπαθούσε να δημιουργεί τα εργαλεία και τα αγαθά του με γνώμονες την λειτουργικότητα αλλά και το όσο δυνατόν περισσότερο μειωμένο βάρος τους. Περνώντας από την αναλογική στην ψηφιακή εποχή, λόγω της ανάπτυξης των υπολογιστικών συστημάτων, η απάντηση σε αυτό το σχεδιαστικό στόχο, δόθηκε από τις μεθόδους τοπολογικής βελτιστοποίησης. Μέσω μαθηματικής ανάλυσης και αλγοριθμικής μοντελοποίησης της γεωμετρίας τρισδιάστατων μοντέλων, τα σύγχρονα συστήματα CAD-CAE έχουν πλέον την δυνατότητα να παράγουν βέλτιστες σχεδιαστικές λύσεις που ο άνθρωπος δεν θα μπορούσε ποτέ να φανταστεί. Αντιγράφοντας την φύση και το πως αυτή δημιουργεί, η τοπολογική βελτιστοποίηση παράγει εναλλακτικές οργανικές γεωμετρίες του αρχικού μοντέλου που συνδυάζουν με αρμονία την λειτουργικότητα, την αξιοπιστία και την ελαχιστοποίηση της μάζας του. Ωστόσο, το πρόβλημα που προκύπτει σε αυτό το σημείο είναι το πώς αυτή η βελτιστοποιημένη, αλλά και ταυτόχρονα δεόντως περίπλοκη γεωμετρία μπορεί να πάρει φυσική υπόσταση και να οδηγήσει σε ένα τελικό προϊόν.
Η κατασκευαστική διαδικασία που καταφέρνει να ξεπεράσει αυτό το εμπόδιο δεν είναι άλλη από την μέθοδο της προσθετικής κατασκευής. Βασιζόμενη στην ιδέα δημιουργίας τρισδιάστατων αντικειμένων μέσω εναπόθεσης επάλληλων στρώσεων υλικού, η προσθετική κατασκευή είναι σε θέση να «φέρει στη ζωή», οποιοδήποτε τρισδιάστατο ψηφιακό μοντέλο και σε μεγάλο βαθμό ανεξάρτητα της περιπλοκότητας της γεωμετρίας του. Το μεγάλο πλεονέκτημα της προσθετικής κατασκευής, πέραν της απεριόριστης σχεδιαστικής ελευθερίας που προσφέρει, είναι ότι τα τελευταία χρόνια μπορεί να εφαρμοστεί και στην παραγωγή μεταλλικών αντικειμένων και μηχανικών εξαρτημάτων.
Η παρούσα διπλωματική εργασία λοιπόν, μελετάει ολόκληρη τη διαδικασία παραγωγής βελτιστοποιημένων μεταλλικών αντικειμένων. Ξεκινώντας από το κομμάτι του αρχικού σχεδιασμού και της βελτιστοποίησής του μοντέλου, αξιοποιώντας τα καταλληλά λογισμικά, μέχρι και το τελικό στάδιο δημιουργίας του χρησιμοποιώντας έναν τρισδιάστατο εκτυπωτή μετάλλου.
description: Since ancient times humans were trying to create tools and goods based on their functionality and their reduced weight as much as possible. The answer to this design problem was given by the transition from the analog to the digital era, due to the development of computer systems, with the use of topology optimization methods. Through mathematical analysis and algorithmic modeling on digital 3D objects, modern CAD-CAE systems can generate optimal design solutions, that no one could ever imagine. By using the way that nature creates as guidance, topology optimization produces organic geometries as design alternatives to the original model. These designs can harmoniously combine functionality, reliability, and mass minimization. However, the problem that arises at this point is how these complex geometries can take physical form and eventually lead to a final product.
The manufacturing process that manages to overcome this obstacle is no other than the additive manufacturing. Based on the idea of building three-dimensional objects through material deposition in layers, this method has the ability to make any digital 3D model “come to life”, regardless of its geometrical complexity. The great advantage of additive manufacturing, in addition to the unlimited design freedom it offers, is the fact that in recent years this method can be used for the production of metal objects and mechanical components.
In conclusion, this diploma thesis examines the entire process of metal additive manufacturing. Starting from the stage of the model’s initial design and optimization, utilizing the appropriate software, up to the final stage of its creation using a metal 3D printer.