Μελέτη και σχεδιασμός πρωτότυπου 3D εκτυπωτή μεγάλου όγκου εργασίας βασισμένου στην πλατφόρμα OpenBuilds ACRO

Κατηφόρης, Γεώργιος; Katiforis, Georgios

dc.contributor.author	Κατηφόρης, Γεώργιος	el
dc.contributor.author	Katiforis, Georgios	en
dc.date.accessioned	2024-07-17T11:34:21Z
dc.date.available	2024-07-17T11:34:21Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/59931
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.27627
dc.description	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) “Συστήματα Αυτοματισμού”	el
dc.rights	Default License
dc.subject	3D εκτυπωτής	el
dc.subject	Προσθετική κατασκευή	el
dc.subject	Acro	en
dc.subject	Σχεδιασμός	el
dc.subject	Πρωτότυπος	el
dc.subject	3D Printer	en
dc.subject	Additive Manufacturing	en
dc.subject	Design	en
dc.subject	Prototype	en
dc.title	Μελέτη και σχεδιασμός πρωτότυπου 3D εκτυπωτή μεγάλου όγκου εργασίας βασισμένου στην πλατφόρμα OpenBuilds ACRO	el
heal.type	masterThesis
heal.generalDescription	Η εργασία θα βασιστεί σε αρχές μηχανολογικού σχεδιασμού και τεχνικο-οικονομικής ανάλυσης, ώστε να καθοριστούν οι απαραίτητες τροποποιήσεις στην πλατφόρμα OpenBuilds ACRO, με σκοπό τη βελτίωση του εύρους της διαδρομής της κατά την κατακόρυφη διεύθυνση. Επίσης, απαραίτητη είναι η διερεύνηση του σχεδιασμού των λοιπών εξαρτημάτων και υποσυστημάτων, όπως π.χ. το σύστημα εξώθησης νήματος, το ακροφύσιο εκτύπωσης, το σύστημα μετάδοσης κίνησης κλπ. Προτείνεται η αξιολόγηση και χρήση τυποποιημένων, κατά το δυνατόν, εξαρτημάτων για λόγους κόστους και χρόνου.	el
heal.classification	Μηχανική	el
heal.classification	Μηχανολογία	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2024-04-05
heal.abstract	Στην διπλωματική αυτή εργασία, θα πραγματοποιηθεί μελέτη και σχεδιασμός ενός πρωτότυπου 3D εκτυπωτή μεγάλου όγκου εργασίας. Αυτό θα γίνει με χρήση της πλατφόρμας ACRO της εταιρίας OpenBuilds, (OpenBuilds ACRO n.d.) που αποτελεί σύστημα κινηματικής ΧΥ υψηλής ακρίβειας, ώστε να προσδοθεί σε αυτήν ένας άξονας κίνησης Z. Στην πορεία της εργασίας είναι σημαντικό να επιτευχθούν και επιμέρους στοιχεία που κάνουν έναν 3D εκτυπωτή χρήσιμο, όπως η ακρίβεια, η ευχέρεια στην χρήση, η ταχύτητα εκτύπωσης. Μέσα και παράλληλα με την εργασία θα γίνουν και όλες οι απαραίτητες επιλογές υποσυστημάτων ενός εκτυπωτή. Η συγγραφή της εργασίας στηρίχτηκε σε μελέτες και εργασίες ακαδημαϊκών από πανεπιστήμια της Ευρώπης και της Αμερικής και κυριότερα του ΕΜΠ και του Εργαστήριου Τεχνολογίας Κατεργασιών. Η εργασία διαχωρίζεται σε τρεις μεγάλες ενότητες, όπου στην πρώτη γίνεται μια γενικότερη ανάλυση στην Τεχνολογία Προσθετικής Κατασκευής ενώ στην δεύτερη ενότητα γίνεται μια πιο συγκεκριμένη αναφορά και εμβάθυνση στη συγκεκριμένη μελέτη, όπου τελικά καταλήγει στην τρίτη ενότητα και στην μοντελοποίηση του τελικού πρωτοτύπου. Η τεχνολογία προσθετικής κατασκευής, αποτελεί τεχνική μέσω της οποίας πραγματοποιείται κατασκευή τρισδιάστατων αντικειμένων μέσω ενός ψηφιακού μοντέλου. Υποκατηγορία της Προσθετικής κατασκευής αποτελεί η Τρισδιάστατη εκτύπωση, μέθοδος δηλαδή κατασκευής αντικειμένων μέσω διαδοχικής απόθεσης στρώσεων υλικού. Μέσω αυτής της διαδικασίας μπορούν να κατασκευαστούν αντικείμενα από διάφορα υλικά όπως πλαστικά κατά κύριο λόγο, αλλά ακόμα και κεραμικά, πολυμερή, ακόμη και μεταλλικά. Η Προσθετική Κατασκευή έχει γεννηθεί εδώ και αρκετά χρόνια και αποτελεί πλέον πυλώνα της 4ης βιομηχανικής επανάστασης. Η διαδικασία είναι σχετικά απλή. Ένα τρισδιάστατο ψηφιακό μοντέλο τεμαχίζεται μέσω ειδικού προγράμματος σε διάφορα στρώματα. Το αρχείο αυτό μετατρέπεται στη συνέχεια σε G-κώδικα, ο οποίος με τη σειρά του μέσω του εκτυπωτή μετατρέπεται σε εντολές κίνησης και απόθεσης υλικού. Διαδοχικά στρώματα εναποτίθενται το ένα πάνω στο άλλο δίνοντας μια τελική μορφή στο αντικείμενο. Η μέθοδος της τρισδιάστατης εκτύπωσης, προσφέρει πολλά πλεονεκτήματα που την καθιστούν ιδιαίτερα χρήσιμη, πλεονεκτήματα που έχουν να κάνουν με τον τρόπο κατασκευής, την εξατομίκευση, την φύρα κ.α. Υπάρχουν διάφορες μέθοδοι προσθετικής κατασκευής, οι οποίες ταξινομούνται σύμφωνα με το ISO/ASTM 52900:2021. (Additive manufacturing General principles Fundamentals and vocabulary 2021) Στην συγκεκριμένη εργασία, επιλέχθηκε το αρχιτεκτονικό μοντέλο FDM ευθύγραμμου καρτεσιανού εκτυπωτή, με εναπόθεση υλικού, όντας μια επιλογή σχετικά πιο απλή στην μελέτη και κατασκευή, με ακριβή αποτελέσματα, ιδιαίτερα δημοφιλή, με δυνατότητα εργασίας με διάφορες πρώτες ύλες. Το μοντέλο του πρωτότυπου εκτυπωτή διαχωρίστηκε σε επιμέρους υποσυστήματα, για καθένα από τα οποία έγινε έρευνα και επιλογή. Η εκάστοτε επιλογή έγινε κατόπιν εμπεριστατωμένης μελέτης με χρήση Πίνακα Αποφάσεων. Οι Πίνακες Αποφάσεων αποτελούν εργαλείο λήψης αποφάσεων όταν αυτές εξαρτώνται από μια σειρά κριτηρίων. Αποτελούν ένα ιδιαίτερα αξιόπιστο εργαλείο ανάμεσα σε άλλα για την πραγματοποίηση μια αντικειμενικής μελέτη σε σύνθετα ζητήματα είτε ποσοτικά είτε ποιοτικά. Τα κριτήρια που τέθηκαν ήταν ο όγκος της εκτύπωσης, η ακρίβεια, η ταχύτητα εκτύπωσης, η στιβαρότητα του τελικού πρωτοτύπου και φυσικά το κόστος μιας ενδεχόμενης μεταγενέστερης κατασκευής, με διαφορετικό βαθμό βαρύτητας το καθένα, αναλόγως με τις ανάγκες. Τα υποσυστήματα αυτά αφορούν το μοντέλο κινηματικής του εκτυπωτή, την τράπεζα εκτύπωσης, την μετάδοση κίνηση στους άξονες ΧΥΖ, την μέθοδο τροφοδοσίας υλικού, την θέρμανση της τράπεζας εκτύπωσης και την θερμομόνωση του εκτυπωτή. Με τις τελικές επιλογές, πραγματοποιήθηκε μοντελοποίηση σε περιβάλλον SolidWorks, ώστε να διαπιστωθεί εάν τα μέρη που επιλέχθηκαν ή κατασκευάστηκαν μπορούν να ανταπεξέλθουν σε πραγματικές συνθήκες. Στο περιβάλλον του SolidWorks δίνεται η δυνατότητα στον χρήστη να πραγματοποιήσει έλεγχο σε ένα μοντέλο με αξιοποίηση της μεθόδου των πεπερασμένων στοιχείων. Πρόκειται για αριθμητική μέθοδο με σκοπό μια προσέγγιση (αρκετά ακριβή) της λύσης διαφορικών εξισώσεων. Η μέθοδος αυτή αποτελεί συνέχεια των μεθόδων αριθμητικής επίλυσης μητρώων και συνιστά μια ιδιαίτερα ακριβή και συνεπή μεθοδολογία για τον έλεγχο σε καταπόνηση οποιονδήποτε γεωμετριών. (Kurowski 2013) Αυτή η μέθοδος είναι μεν προσεγγιστική, αλλά μπορεί να δώσει αξιόπιστα αποτελέσματα και έχει το πλεονέκτημα ότι μπορεί να εφαρμοστεί σε όλα τα προβλήματα. Στην μέθοδο ακολουθείται η εξής διαδικασία: Σχεδιάζεται το τρισδιάστατο μοντέλο, στο οποίο στη συνέχεια ορίζεται ένα υλικό. Με αυτόν τον τρόπο «φορτώνονται» οι συγκεκριμένες μηχανικές ιδιότητες από ψηφιακή βιβλιοθήκη του προγράμματος. Ύστερα, ο χρήστης μπορεί αν ορίσει συγκεκριμένα σημεία στήριξης και βαθμούς ελευθερίας αναλόγως το είδος του μηχανισμού που καλείται να κατασκευάσει. Τέλος και αναλόγως το είδος της μελέτης, το μοντέλο χωρίζεται σε πεπερασμένα στοιχεία και ελέγχεται υπολογιστικά στην εκάστοτε καταπόνηση. Συγκεκριμένα έγιναν μελέτες σχετικά με την αντοχή της τράπεζας εκτύπωσης η οποία θα δέχεται και θα πρέπει να αντέχει ιδιαίτερα μεγάλα φορτία σε σχέση με έναν συμβατικό εκτυπωτή, σχετικά με την αντοχή του άξονα μεταφοράς του ακροφυσίου, που θα προστεθεί, αλλά και για την διάταξη που θα αναλάβει την κίνηση στον Z άξονα, αφού κι αυτό αποτελεί τροποποίηση στην αρχική πλατφόρμα. Με το πέρας των παραπάνω ενεργειών, εκλέχθηκαν τα κατάλληλα μηχανικά μέρη τα οποία σε δεύτερο χρόνο μπορούν να αγοραστούν και να πραγματοποιηθεί η τελική συναρμογή. Ορισμένα συμπεράσματα από την μελέτη μπορούν να συνοψιστούν παρακάτω: Η τράπεζα εκτύπωσης, σχεδιάστηκε σε διαστάσεις ίσες με αυτές που ορίστηκαν ως ωφέλιμες από την αρχή της εργασίας. Τα σενάρια για τα οποία θα πρέπει να γίνει η μελέτη είναι δύο. Το πρώτο σενάριο θα είναι για καταπόνηση από ισοδύναμο φορτίο, δηλαδή καταπόνηση συμμετρική ως προς την τράπεζα και το δεύτερο για καταπόνηση από μη ισοδύναμο φορτίο, δηλαδή για καταπόνηση μόνο σε μια πλευρά της τράπεζας με την άλλη να μην δέχεται καθόλου φορτίο. Για κάθε περίπτωση μελετήθηκαν 3 διαφορετικά πάχη αλουμινίου ως τράπεζα. Επίσης πραγματοποιήθηκε μελέτη για κάθε υποσενάριο με δύο πιθανές παραμέτρους ως προς τα σημεία στήριξής, για 6 σημεία και για 8. Από την μελέτη φάνηκε πως σε κάθε περίπτωση μια τράπεζα πάχους 3mm δεν θα μπορούσε καμία περίπτωση να συγκρατήσει το κατασκευαζόμενο δοκίμιο. Για πάχος 5mm στο ενδεχόμενο 6 σημείων στήριξης οι ανοχές ήταν εκτός ορίων ενώ για 8 οι ανοχές ήταν εντός ορίων. Για πάχος τράπεζας 6mm κάθε ενδεχόμενο ήταν εφικτό. Για τον άξονα μεταφοράς του ακροφυσίου και την αντοχή μετά την προσθήκη της διάταξης εξώθησης τα αποτελέσματα έδειξαν πως δεν θα επιφέρει καμία αλλαγή. Για τους τραπεζοειδείς κοχλίες και συγκεκριμένα για τον αριθμό αυτών, έγινε έλεγχος για χρήση ενός ο οποίος έδωσε απορριπτέα αποτελέσματα και για αυτόν τον λόγο αποφασίστηκε να χρησιμοποιηθούν δύο σε συμμετρικές θέσεις προκειμένου να επιμερίζεται το βάρος της διάταξης ACRO. Για την διάμετρός τους έγινε μελέτη σε κοινούς κοχλίες Φ8mm, οι οποίοι φάνηκε να μην δίνουν επιτρεπτά αποτελέσματα και γι’ αυτό πραγματοποιήθηκε επαναδιαστασιολόγηση σε 10mm και οι οποίοι φάνηκε να δέχονται το φορτίο μέσα σε επιτρεπόμενα όρια. Επίσης μελέτη πραγματοποιήθηκε για την ανάγκη θέρμανσης της τράπεζας εκτύπωσης αλλά και την ανάγκη ικανοποιητικής θερμομόνωσής του εκτυπωτή, καθώς σε τέτοια μεγάλα μεγέθη οι διαφορές της θερμοκρασίας από τη μια άκρη της τράπεζας στην άλλη θα μπορούσαν να είναι μεγάλες, κάτι που θα οδηγήσει σε μη ασφαλή επικόλληση του τεμαχίου στην τράπεζα και ανομοιομορφίες στην τοποθέτηση και την ένωση των στρωμάτων, ζητήματα που με τη σειρά τους θα οδηγήσουν σε ενδεχόμενες αστοχίες. Τέλος υπολογίστηκε το κόστος μιας ενδεχόμενης κατασκευής του πρωτότυπου και κατασκευάστηκε το Πίνακας Υλικών. Μέσα από την πορεία μελέτης αποδείχθηκε πως ακόμη και με τους πιο μετριοπαθείς υπολογισμούς, το κόστος της κατασκευής ενός τέτοιου πρωτότυπου εκτυπωτή θα ξεπερνάει τα 1200€, με την σύμβαση πως όλα τα μηχανικά μέρη θα αγοραστούν και χωρίς να υπάρχει ήδη απόθεμα κάποιων. Η εργασία ανοίγει το δρόμο για πολλά πεδία μελέτης και μελλοντικής εργασίας. Προφανώς ένας πρώτος στόχος θα μπορούσε να ήταν η ηλεκτρολογική μελέτη του πρωτότυπου, η έρευνα αγορά ως προς τα απαραίτητα ηλεκτρονικά μέρη ώστε ο εκτυπωτής αυτός να κατασκευαστεί και να προγραμματιστεί. Επίσης θα μπορούσε να αποτελέσει πεδίο μελέτης, η αναβάθμιση των τελικών χαρακτηριστικών του πρωτότυπου, χαρακτηριστικά όπως η ταχύτητα, η ακρίβειά κ.α. Επίσης η έρευνα και ο σχεδιασμός για συνεργασία του εκτυπωτή με περισσότερα υλικά θα μπορούσε να ανοίξει δρόμους για μελέτη εκτύπωσης μεγάλων αντικειμένων για νευραλγικούς τομείς όπως ιατρική, αεροδιαστημική, αυτοκινητοβιομηχανία κ.α. Τέλος σαν μεταγενέστερη εργασία ιδιαίτερα σημαντική θα μπορούσε να θεωρηθεί μια προσπάθεια για σχεδιασμό και μελέτη εκτυπωτών υψηλού όγκου εργασίας που να στηρίζονται σε διαφορετικές αρχιτεκτονικές, όπως λ.χ. εκτυπωτών ρητίνης, ή ακόμα και σκόνης.	el
heal.advisorName	Μπενάρδος, Πανώριος	el
heal.committeeMemberName	Βοσνιάκος, Γεώργιος	el
heal.committeeMemberName	Μανωλάκος, Δημήτριος	el
heal.committeeMemberName	Μπενάρδος, Πανώριος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	99 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false