Digitization and 3D-CAD modelling of free-form surfaces: The case of a 3D-printed thoracic spine

Πέτσας, Σπυρίδων; Petsas, Spyridon

dc.contributor.author	Πέτσας, Σπυρίδων
dc.contributor.author	Petsas, Spyridon
dc.date.accessioned	2019-11-26T10:55:02Z
dc.date.available	2019-11-26T10:55:02Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/49495
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.17193
dc.rights	Default License
dc.subject	Επιφάνειες ελευθέρας μορφής	el
dc.subject	Free-form surfaces	en
dc.subject	Αντίστροφος μηχανολογικός σχεδιασμός	el
dc.subject	Τεχνολογίες προσθετικής κατασκευής	el
dc.subject	Βιοϊατρική	el
dc.subject	Διαστατικός ποιοτικός έλεγχος	el
dc.subject	Reverse engineering	en
dc.subject	Additive manufacturing	en
dc.subject	Biomedical	en
dc.subject	Deviation analysis	en
dc.title	Digitization and 3D-CAD modelling of free-form surfaces: The case of a 3D-printed thoracic spine	en
dc.title	Ψηφιακή αποτύπωση και 3D-CAD μοντελοποίηση εξαρτημάτων με επιφάνειες ελεύθερης μορφής: Εφαρμογή σε τρισδιάστατα εκτυπωμένο θωρακικό σπόνδυλο	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Αντίστροφος μηχανολογικός σχεδιασμός	el
heal.classification	Reverse engineering	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2019-10-10
heal.abstract	Η παρούσα Διπλωματική Εργασία έχει ως αντικείμενο την ψηφιακή αποτύπωση και τη 3D-CAD μοντελοποίηση αντικειμένων με επιφάνειες ελεύθερης μορφής. Η μοντελοποίηση αυτή, γίνεται εδώ με τη χρήση μεθόδων κι εργαλείων Αντίστροφου Μηχανολογικού Σχεδιασμού και η πειραματική εφαρμογή της πραγματοποιείται σε αντικείμενα βιοϊατρικού ενδιαφέροντος που έχουν κατασκευαστεί με μεθόδους Additive Manufacturing. Σκοπός της Διπλωματικής Εργασίας είναι καταρχήν ο διαστατικός έλεγχος ποιότητας (Dimensional inspection/ Quality Control) και η αξιολόγηση αντικειμένων με επιφάνειες ελεύθερης μορφής μέσω της ψηφιακής αποτύπωσής τους με τη χρήση Μηχανών Μέτρησης Συντεταγμένων – CMM. Ειδικότερα, στο πλαίσιο της παρούσας Διπλωματικής Εργασίας εντοπίζονται και προσεγγίζονται ποσοτικά (i) οι αποκλίσεις από το ονομαστικό μοντέλο που αποδίδονται στην εκάστοτε μέθοδο κατασκευής, (ii) τα σφάλματα που εισάγονται κατά τη διαδικασία της ψηφιακής αποτύπωσης και (iii) τα σφάλματα που εισάγονται κατά τη διαδικασία της επεξεργασίας των δεδομένων μέχρι να επιτευχθεί η 3D-CAD μοντελοποίηση. Επίσης, κατά τη διάρκεια της 3-D μοντελοποίησης εντοπίζονται διάφορα τεχνικά ζητήματα, τα οποία σχολιάζονται ώστε να αντιμετωπιστούν σε μελλοντικές παρόμοιες εργασίες για το καλύτερο δυνατό αποτέλεσμα. Η πειραματική διερεύνηση των παραπάνω πραγματοποιήθηκε σε τέσσερα αντίγραφα του θωρακικού σπονδύλου Τ4 ασθενούς τα οποία κατασκευάστηκαν με διαφορετικές τεχνολογίες/μεθόδους Additive Manufacturing. Τα αντίγραφα αυτά, αρχικά αποτυπώνονται και ψηφιοποιούνται με τη χρήση βιομηχανικού τύπου Laser scanner, ο οποίος είναι προσαρμοσμένος σε φορητή Μηχανή Μέτρησης Συντεταγμένων CMM τύπου Αρθρωτού Βραχίονα. Στη συνέχεια, στο αρχικό νέφος σημείων που προκύπτει γίνεται σταδιακή επεξεργασία με χρήση εργαλείων του λογισμικού Geomagic Studio που οδηγεί τελικά στην πλήρη 3D-CAD μοντελοποίηση/Αντίστροφο Μηχανολογικό Σχεδιασμό των αντιγράφων. Τα μοντέλα CAD που προέκυψαν αντιπαραβάλλονται με το ονομαστικό μοντέλο που χρησιμοποιήθηκε για την κατασκευή των σπονδύλων στο λογισμικό Geomagic Control. Τέλος, τα 3D-CAD μοντέλα που δημιουργήθηκαν εισάγονται στο μετρολογικό λογισμικό PC-DMIS όπου με χρήση υψηλής ακρίβειας, σταθερής Μηχανής Μέτρησης Συντεταγμένων CMM τύπου γέφυρας, συγκρίνονται με τα αντίστοιχα αντίγραφα του σπονδύλου. Οι συγκρίσεις που έγιναν έχουν στόχο να εντοπισθούν και να αξιολογηθούν ποσοτικά οι αποκλίσεις/αβεβαιότητες που εισάγονται τόσο κατά την κατασκευή όσο και κατά τη συνολική διαδικασία της ψηφιακής αποτύπωσης, επεξεργασίας και μοντελοποίησης των αντιγράφων. Η συμβολή της Διπλωματικής Εργασίας εντοπίζεται (i) στην αντικειμενική/τεχνικά τεκμηριωμένη αξιολόγηση των επιδόσεων γεωμετρικής ακρίβειας της κάθε μεθόδου Additive Manufacturing που μελετάται και (ii) στην κατανόηση της σημασίας των διάφορων φάσεων στην συνολική απόκλιση/ αβεβαιότητα του Αντίστροφου Μηχανολογικού Σχεδιασμού αντικειμένων με επιφάνειες ελεύθερης μορφής.	el
heal.abstract	The present thesis deals with the digitalizing and the 3D-CAD modeling of objects with free-form surfaces. This method is done by using Reverse Engineering methods and tools and the experimental application is carried out on objects of biomedical interest that have been manufactured with Additive Manufacturing methods. The purpose of the Thesis is primarily the Dimensional Inspection/ Quality Control and the evaluation of objects with free-form surfaces through their digital imprinting by using Coordinate Measuring Machines - CMM. In particular, this thesis identifies and quantifies (i) the deviations from the nominal model that attributed to each manufacturing method, (ii) the errors introduced during the digitalization process, and (iii) the errors introduced by the data processing until 3D-CAD modeling is achieved. Also, during the 3-D modeling, various technical issues are identified and commented on for future similar work, thus the best possible outcome be achieved. The experimental research was performed on four replicas of the thoracic vertebra T4, made from different technologies / methods of Additive Manufacturing. These copies were originally recorded and digitized by using an industrial type Laser scanner, which is mounted on a portable Modular Arm Coordinate Measuring Machine-CMM. Subsequently, the resulting cloud of points is gradually editing on Geomagic Studio software that eventually leads to complete 3D-CAD modeling / reverse engineering of the copies. The resulting CAD models are contrasted with the nominal model which used to construct the vertebra in the Geomagic Control software. Finally, the 3D-CAD models are introduced in the PC-DMIS metrology software and they are compared with the corresponding vertebra copies in a high-precision, fixed bridge type CMM Measuring Machine. The comparisons aim to identify and quantify the deviations/ uncertainties that introduced during both the manufacturing and the overall process of the copies’ digitalization, editing and modeling. The contribution of the thesis is identified (i) in the objective / technically evaluation of the geometric precision performance of each Additive Manufacturing method and (ii) in the comprehension the importance of the different phases in the total deviation / uncertainty of the Free-form surfaces.	en
heal.advisorName	Προβατίδης, Χριστόφορος
heal.advisorName	Provatidis, Christopher
heal.committeeMemberName	Προβατίδης, Χριστόφορος
heal.committeeMemberName	Σπιτάς, Βασίλειος
heal.committeeMemberName	Κουλοχέρης, Δημήτριος
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Μηχανολογικών Κατασκευών και Αυτομάτου Ελέγχου	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	166 σ.
heal.fullTextAvailability	false