Reverse engineering: 3D-εκτύπωση αντικειμένων με βελτιωμένες ιδιότητες μέσω χρήσης δεδομένων και απεικονίσεων μικροτομογραφίας

Τσολερίδου, Σοφία; Tsoleridou, Sofia

dc.contributor.author	Τσολερίδου, Σοφία	el
dc.contributor.author	Tsoleridou, Sofia	en
dc.date.accessioned	2019-03-12T10:26:31Z
dc.date.available	2019-03-12T10:26:31Z
dc.date.issued	2019-03-12
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/48421
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.9305
dc.description	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) “Επιστήμη και Τεχνολογία Υλικών”	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	Αντίστροφη Μηχανική	el
dc.subject	Υπολογιστική Αξονική Μικροτομογραφία	el
dc.subject	Τριδιάστατη Εκτύπωση	el
dc.subject	Σύνταξη g-κώδικα	el
dc.subject	Παράμετροι Τριδιάστατης Εκτύπωσης	el
dc.subject	Reverse Engineering	en
dc.subject	Micro-Computed Tomography	el
dc.subject	3-D Printing	el
dc.subject	G-Code	el
dc.subject	Parameters of 3-D Printing	el
dc.title	Reverse engineering: 3D-εκτύπωση αντικειμένων με βελτιωμένες ιδιότητες μέσω χρήσης δεδομένων και απεικονίσεων μικροτομογραφίας	el
heal.type	masterThesis
heal.classification	Reverse engineering	el
heal.classificationURI	http://id.loc.gov/authorities/subjects/sh93004214
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2018-10-04
heal.abstract	Με τον όρο τριδιάστατη εκτύπωση (3-D Printing) περιγράφεται ένα σύνολο αυτοματοποιημένων διαδικασιών προσθετικής κατασκευής, μετατρέποντας τριδιάστατα ψηφιακά μοντέλα σε φυσικά αντικείμενα. Στα περισσότερα συστήματα, η προσθετική κατασκευή επιτυγχάνεται μέσω του ελεγχόμενου σχηματισμού και συνένωσης διαδοχικών στρώσεων υλικού, που αντιστοιχούν σε εγκάρσιες τομές του αντικειμένου που κατασκευάζεται. Μέσω μη καταστρεπτικών μεθόδων χαρακτηρισμού όπως η υπολογιστική τομογραφία ακτίνων Χ (X-ray Computed Tomography) συλλέγονται πολύτιμες πληροφορίες σχετικά με την εσωτερική δομή του αντικειμένου που εξετάζεται. Με τον συνδυασμό αυτών των δύο μεθόδων, μπορεί να πραγματοποιηθεί αντίστροφη μηχανική οποιουδήποτε αντικειμένου, με στόχο την προσέγγιση της εσωτερικής του δομής. Στην παρούσα μεταπτυχιακή εργασία, πραγματοποιήθηκε η μέθοδος της αντίστροφης μηχανικής σε ένα εμπορικό δείγμα ινών άνθρακα με εποξειδική ρητίνη, της εταιρίας Toray μοντέλου T700S. Σκοπός της συγκεκριμένης εργασίας είναι η προσέγγιση της δομής του εμπορικού δείγματος μέσω δύο διαφορετικών μεθόδων, για καθαρά ποιοτικούς λόγους. Η πρώτη μέθοδος αφορά στη χρήση δεδομένων της ψηφιακής σάρωσης, τα οποία λήφθησαν μέσω του μικροτομογράφου ακτίνων Χ, προκειμένου σε συνδυασμό με τη χρήση CAD να τροφοδοτήσουν το λογισμικό του 3-D εκτυπωτή και να παραχθούν αντικείμενα όμοιας εσωτερικής γεωμετρικής δομής. Στη δεύτερη μέθοδο, εκτελέστηκε σύνταξη G-κώδικα προκειμένου να πραγματοποιηθεί αναπαράσταση της δομής των ινών με μια διαφορετική προσέγγιση, από αυτήν της πρώτης μεθόδου. Τα τρία πρώτα κεφάλαια αποτελούν το θεωρητικό κομμάτι της εργασίας στο οποίο γίνεται αναφορά στη λειτουργία και τις εφαρμογές της αντίστροφης μηχανικής, της υπολογιστικής αξονικής μικροτομογραφίας και της 3-D εκτύπωσης. Στο τέταρτο κεφάλαιο περιγράφεται όλη η πειραματική διαδικασία η οποία διαχωρίζεται σε τρία μέρη. Στο πρώτο μέρος, το εμπορικό δείγμα σαρώθηκε στον μικροτομογράφο. Ακολούθησε η επεξεργασία των εικονικών εγκάρσιων τομών (φετών) της σάρωσης στο λογισμικό NRecon και μετέπειτα η εξαγωγή τριών αρχείων STL, από τρεις διαφορετικές περιοχές του δείγματος, στο λογισμικό CTAn. Τα αρχεία STL, λόγω της μη καθαρότητας των ινών έπρεπε να βελτιωθούν με τη βοήθεια του λογισμικού CAD, SolidWorks. Στο SolidWorks επανασχεδιάστηκαν οι ίνες άνθρακα, δίνοντας παράλληλα μορφή και στη δομή της εποξειδικής ρητίνης. Τέλος, τα συγκεκριμένα αρχεία ήταν έτοιμα για το στάδιο της 3-D εκτύπωσης, με διπλή κεφαλή προκειμένου να εκτυπωθούν ταυτόχρονα τόσο οι ίνες όσο και το πληρωτικό υλικό. ix Στο δεύτερο μέρος της εργασίας, πραγματοποιήθηκε η σύνταξη του G-κώδικα, των εντολών δηλαδή τις οποίες διαβάζει ο 3-D εκτυπωτής για τη δημιουργία τριδιάστατων μοντέλων. Σκοπός αυτών των κωδικών είναι η αναπαράσταση των ινών του εμπορικού δείγματος με μια διαφορετική προσέγγιση από την πρώτη μέθοδο που εφαρμόστηκε. Κώδικες γράφτηκαν για δύο διαφορετικές κατηγορίες κατεύθυνσης, για 0ο και 45ο. Και οι δύο κατηγορίες αποτελούνται από δύο διαφορετικές στρώσεις οι οποίες επαναλαμβάνονται μέσα στον χώρο, δημιουργώντας ένα πλέγμα. Θεωρώντας ότι οι άξονες xx΄ και yy΄ είναι πάνω στο επίπεδο της πλατφόρμας εκτύπωσης, η μία στρώση που αφορά την αραιή δομή η οποία αναπαριστά το πληρωτικό υλικό και είναι ίδια και για τις δύο κατηγορίες βρίσκεται ως προς τον yy΄ ενώ η δεύτερη αφορά τη δομή των ινών είτε των 0ο είτε των 45ο που αντιπροσωπεύει την πυκνή δομή του πλέγματος. Οι κώδικες και των δύο κατηγοριών εκτυπώθηκαν με μια ποικιλία πειραματικών παραμέτρων. Η πειραματική διαδικασία ολοκληρώνεται στο τρίτο μέρος, εφαρμόζοντας τη μέθοδο της θλίψης σε όλα τα δοκίμια που προέκυψαν από τα δύο πρώτα μέρη του πειράματος, μέσω της 3-D εκτύπωσης. Από τα αποτελέσματα της θλίψης παρατηρήθηκε ότι τα Reverse δοκίμια φάνηκε να συγκλίνουν αρκετά μεταξύ τους, τόσο ως προς τον τρόπο της παραμόρφωσής τους όσο και ως προς το μέγιστο φορτίο που μπορούν να αντέξουν κατά τη θλίψη. Τα αποτελέσματα αυτά φανερώνουν τη σωστή προσέγγιση που πραγματοποιήθηκε ως προς τις εμπορικές ίνες, κατά την επεξεργασία των αποτελεσμάτων της σάρωσης. Από τα αποτελέσματα της θλίψης, στα δοκίμια που προέκυψαν από τον G-κώδικα παρατηρήθηκε και στις δύο κατευθύνσεις, για τους συγκεκριμένους συνδυασμούς των παραμέτρων που εφαρμόστηκαν, πως η λειτουργία του ανεμιστήρα επηρεάζει σημαντικά την ανθεκτικότητα του τελικού δοκιμίου που εκτυπώνεται. Επιπλέον, παρατηρήθηκε στα δοκίμια που εκτυπώθηκαν στους 200 oC χωρίς τη λειτουργία του ανεμιστήρα να εμφανίζουν υψηλότερη αντοχή από τα υπόλοιπα των 190 oC, με εξαίρεση στην κατηγορία των 45ο για το δοκίμιο 3 το οποίο στους 190 oC, με ανενεργό ανεμιστήρα εμφάνισε τη μεγαλύτερη ανθεκτικότητα. Τέλος, η εργασία ολοκληρώνεται στο πέμπτο κεφάλαιο, με τη σύνοψη των συμπερασμάτων του πειράματος καθώς και με προτάσεις για περαιτέρω έρευνα προς τη βελτίωση των δοκιμίων.	el
heal.abstract	3-D printing describes a synthesis of automated prosthetic procedures by converting 3-D digital models into physical objects. In most systems, the prosthesis is accomplished by the controlled formation and combination of successive materials corresponding to transverse cross-sections of the article being manufactured. Non-destructive characterization methods, such as X-ray computed tomography, collect valuable information about the internal structure of the object under consideration. With the combined use of the two methods, reverse engineering of any object can be performed to approach its internal structure. In the present postgraduate thesis, the reverse engineering method was carried out on a commercial sample of epoxy resin T700S, manufactured by Toray. The purpose of this work is to approach the structure of the commercial sample by two different methods, for purely qualitative reasons. The first method involves the use of digital scanning data obtained through the X-ray microtome, in conjunction with the use of CAD to feed the 3-D printer software and produce objects of similar internal geometric structure. In the second method, a G-code syntax was set to perform a representation of the fiber structure with a different approach than the first method. The first three chapters are the theoretical part of this work which refer to the operation and applications of reverse engineering, axial microtomography and 3-D printing. The fourth chapter describes the entire experimental process which is divided into three parts. In the first part, the commercial sample was scanned in the microtome. The processing of the virtual slices of the scan in the NRecon software followed, and afterwards the extraction of three STL files from three different regions of the sample into the CTAn software. STL files due to impure fiber geometry had to be improved with CAD, SolidWorks software. Carbon fibers were redesigned by using SolidWorks, while giving shape to the epoxy resin structure. Finally, these files were ready for the 3-D printing stage, with a double head to print both the fiber and the filler material at the same time. In the second part of this work, G-code was compiled, which is the set of commands that the 3-D printer reads the appropriate commands to create three-dimensional models. The purpose of these codes is to represent the commercial sample of fibers with a different approach from the first applied method. The codes were written for two different directional categories, for 0o and 45o. Both categories consist of two different layers that are repeated in space, creating a grid. Considering that the axes xx΄ and yy΄ are on the plane of the print platform, one layer pertaining to the sparse structure representing the filler and the same for the two categories is xi for yy΄, while the second relates to the structure of the fibers of 0ο or 45° representing the dense structure of the lattice. Codes at both categories have been printed with a variety of parameters. The experimental process is completed in the third part, applying the compression method to all the specimens that emerged from the first two parts of the experiment, through 3-D printing. From the results of the grief it was observed that the Reverse specimens appeared to converge sufficiently with each other, both in the way of their deformation and in the maximum load that they can withstand during grief. These results show the correct approach to commercial fibers when processing the scan data. From the results of the grief, in the specimens derived from the G-code it was observed in both directions, for the particular combinations of the parameters applied, how the fan function significantly affects the durability of the final test piece being printed. In addition, the specimens printed at 200 oC without the fan function showed a higher resistance than the printed at 190 oC, except for the 45º for the specimen 3 which at 190 oC with an inactive fan exhibited the highest durability. Finally, the work is completed in the fifth chapter, with the summary of the experimental conclusions as well as proposals for further research into the improvement of specimens.	en
heal.advisorName	Χαριτίδης, Κωνσταντίνος	el
heal.advisorName	Ζουμπουλάκης, Λουκάς	el
heal.committeeMemberName	Χαριτίδης, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Ζουμπουλάκης, Λουκάς	el
heal.committeeMemberName	Μανωλάκος, Δημήτριος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	152 σ.	el
heal.fullTextAvailability	true