Reverse Engineering, Redesign and Topology Optimization for Additive Manufacturing of an Industrial Robot Arm Link

Tsirogiannis, Evangelos; Τσιρογιάννης, Ευάγγελος

dc.contributor.author	Tsirogiannis, Evangelos	en
dc.contributor.author	Τσιρογιάννης, Ευάγγελος	el
dc.date.accessioned	2018-02-21T09:06:36Z
dc.date.issued	2018-02-21
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/46556
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.8086
dc.description	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) “Συστήματα Αυτοματισμού”	el
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Topology Optimization	en
dc.subject	Additive Manufacturing	en
dc.subject	Robotics	en
dc.subject	Robot Arm	en
dc.subject	Design for Additive Manufacturing	en
dc.subject	Τοπολογική Βελτιστοποίηση	el
dc.subject	Προσθετική Κατασκευή 3d printing	el
dc.subject	Ρομποτική	el
dc.subject	Ρομποτικός Βραχίονας	el
dc.subject	Σχεδιασμός για Προσθετική Κατασκευή	el
dc.title	Reverse Engineering, Redesign and Topology Optimization for Additive Manufacturing of an Industrial Robot Arm Link	en
dc.title	Αντίστροφη Μηχανική, Επανασχεδιασμός και Τοπολογική Βελτιστοποίηση για Προσθετική Κατασκευή Συνδέσμου Βιομηχανικού Ρομποτικού Βραχίονα	el
heal.type	masterThesis
heal.generalDescription	Reverse Engineering, Re-design, Topology Optimization (TO), Robot Arm, Robotics, 3D Printing, Lightweight, Design for 3D Printing, Design for Additive Manufacturing (DFAM), Structural Optimization, Additive Manufacturing (AM), Rapid Manufacturing (RM), Design method, Design Optimization, Selective Laser Sintering (SLS).	en
heal.classification	Additive Manufacturing	en
heal.dateAvailable	2019-02-20T22:00:00Z
heal.language	el
heal.language	en
heal.access	embargo
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2017-10
heal.abstract	The increasing demand for robotized productions in the industrial sector entails the need for improvement of the robotic arms’ structures. The major criteria for the development of robot arm links are the stiffness and strength enhancement subject to mass reduction as well as cost and time elimination. Towards this direction, this work indicates an integrated methodology of developing robotic arm links considering the design and manufacturing concurrently. This methodology is implemented by lightweight strategies in conjunction with design for additive manufacturing (DFAM) methods. Initially, the Stäubli RX90BL robot arm case study is chosen and reverse engineering methodologies are applied in order to discover the design information of the robot arm links. Alongside, a new strategy for the three-dimensional design reconstruction is introduced, which is named ReCAD. In turn, the redesign of the robotic arm geometry is obtained by using the Solidworks and the Catia V5 software packages. Thereupon, the additive manufacturing (AM) technology is chosen for the production of the robot arm’s links. Actually, AM offers design freedom by means of DFAM methods and tools subject to DFAM constraints. Thereafter, the robot forearm link is redesigned to be manufactured by means of the selective laser sintering (SLS) additive manufacturing technology. SLS process could create cost effective industrial robot arm structures by using the powder processing technology. Advanced powder alloys based on aluminium imply low weight to stiffness and weight to strength ratio. Accordingly, the SIMP method of topology optimization is utilized in order to obtain the optimum design of the robotic arm. Considering the topology optimization capabilities, constraints and restrictions for AM the resulted robot forearm structure meets the requirements which were possessed in the development specifications. Actually, the proposed methodology is evaluated by weight reduction of the forearm design while the strength and stiffness retained the same. The breakthrough in this work is the development methodology of an industrial robot arm link via the SIMP topology optimization method in conjunction with the metal additive manufacturing technology subject to the design for SLS additive manufacturing capabilities and constraints.	en
heal.abstract	Η αυξανόμεση ζήτηση για γραμμές παραγωγής με χρήση ρομπότ στον βιομηχανικό κλάδο συνεπάγεται την ανάγκη για την βελτίωση των κατασκευαστικών τμημάτων των ρομποτικών βραχιόνων. Τα μείζονα κριτήρια για την ανάπτυξη των συνδέσμων των ρομποτικών βραχιόνων είναι η αύξηση της ακαμψίας και της αντοχής τα οποία υπακούουν στη μείωση της μάζας όπως επίσης και στη μείωση του κόστους και του χρόνου. Προς αυτή την κατεύθυνση, αυτή η εργασία υποδεικνύει μια ολοκληρωμένη μεθοδολογία για την ανάπτυξη συνδέσμων ρομποτικών βραχιόνων λαμβάνοντας υπόψιν τον σχεδιασμό και την κατασκευή ταυτοχρόνως. Αυτή η μεθοδολογία υλοποιείται από μεθόδους ελαχιστοποίησης μάζας σε συνδυασμό με μεθόδους σχεδιασμού για προσθετική κατασκευή. Αρχικά, επιλέγεται η μελέτη περίπτωσης του ρομποτικού βραχίονα Stäubli RX90BL και εφαρμόζονται μεθοδολογίες αντίστροφης μηχανικής για να ανακαλυψουμε τις σχεδιαστικές πληροφορίες των συνδέσμων. Παράλληλα, εισάγεται μια νέα στρατηγική για την ανοικοδόμηση του τρισδιάστατου σχεδίου, η οποία ονομάζεται ReCAD. Ακολούθως, επιτυγχάνεται ο επανασχεδιασμός της γεωμετρίας του ρομποτικού βραχίονα χρησιμοποιώντας τα λογισμικά πακέτα Solidworks and Catia V5. Έπειτα, επιλέγεται η τεχνολογία προσθετικής κατασκευής για την παραγωγή των ρομποτικών συνδέσμων. Βασικά, η προσθετική τεχνολογία προσφέρει σχεδιαστική ελευθερία μέσω μεθόδων και εργαλείων σχεδιασμού για προσθετική κατασκευή τα οποία υπακούουν στους περιορισμούς σχεδιασμού για προσθετική κατασκευή. Μετά, επανασχεδιάζεται ο ρομποτικός σύνδεσμος του πήχη για να κατασκευαστεί μέσω της προσθετικής τεχνολογίας επιλεκτικής σύντηξης με χρήση ακτικών λέιζερ (Selective Laser Sintering - SLS). H SLS θα μπορούσε να δημιουργήσει οικονομικά αποδοτικές κατασκευές βιομηχανικών ρομποτικών βραχιόνων χρησιμοποιώντας την κατεργασία συσσωμάτωσης μεταλλικής πούδρας. Προηγμένα κράμματα σε μορφή σκόνης βασισμένα στο αλουμίνιο συνεπάγονται χαμηλό λόγο μάζας προς ακαμψία και μάζας προς αντοχή. Ακολούθως, χρησιμοποιείται η μέθοδος τοπολογικής βελτιστοποίησης SIMP για να αποκτήσουμε το βέλτιστο σχέδιο του ρομποτικού βραχίονα. Λαμβάνοντας υπόψιν τις ικανότητες και τους περιορισμούς της τοπολογικής βελτιστοποίησης για προσθετική κατασκευή, ο πήχης του ρομποτικού βραχίονα που προκύπτει πληροί τις απαιτήσεις που είχαν τεθεί στις προδιαγραφές βελτίωσης. Πράγματι, η προτεινόμενη μεθοδολογία αξιολογείται από μείωση μάζας του σχεδίου του πήχη καθώς η αντοχή και η ακαμψία διατηρούνται ίδιες. Η ανακάλυψη αυτής της εργασίας είναι η μεθοδολογία ανάπτυξης ενός συνδέσμου βιομηχανικού ρομποτικού βραχίονα μέσω της μεθόδου τοπολογικής βελτιστοποίησης SIMP σε συνδυασμό με την τεχνολογία προσθετικής κατασκευής μετάλλου η οποία υπακούει στις ικανότητες και τους περιορισμούς του σχεδιασμού για προσθετική κατασκευή SLS.	el
heal.advisorName	Βοσνιάκος, Γεώργιος Χριστόφορος	el
heal.committeeMemberName	Μανωλάκος, Δημήτριος	el
heal.committeeMemberName	Μαρκόπουλος, Άγγελος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	76 σ.	el
heal.fullTextAvailability	true