Συγκριτική μελέτη generative design και topology optimization στη παραγωγή δοκιμίων προσθετικών κατασκευών ως προς τις μηχανικές ιδιότητες

Abstract

Η παρούσα διπλωματική παρουσιάζει μια ολοκληρωμένη συγκριτική μελέτη των τεχνικών Γενετικής Σχεδίασης (Generative Design) και Βελτιστοποίησης Τοπολογίας (Topology Optimization) που εφαρμόζονται σε δοκίμια Προσθετικής Κατασκευής (Additive Manufacturing), με ιδιαίτερη έμφαση στις μηχανικές τους ιδιότητες. Η έρευνα περιλαμβάνει μια σε βάθος ανάλυση των υποκείμενων θεωριών πίσω από τον Γενετικό Σχεδιασμό και τη Βελτιστοποίηση Τοπολογίας, διερευνώντας τις αρχές και τις εφαρμογές τους στο πλαίσιο της Προσθετικής Κατασκευής. Για την πειραματική σύγκριση των μεθοδολογιών, πραγματοποιήθηκαν πρακτικές μελέτες με τη χρήση του CAD/CAE συστήματος (Fusion 360). Η έρευνα περιλαμβάνει τη δημιουργία και ανάλυση δοκιμίων που υποβλήθηκαν σε κάμψη και στρέψη, χρησιμοποιώντας τόσο τις τεχνολογίες Generative Design (GD) όσο και Topology Optimization (TO). Στη συνέχεια, τα μοντέλα αυτά υποβλήθηκαν σε ανάλυση με χρήση πεπερασμένων στοιχείων (FEA) σε λογισμικό Computer-Aided Engineering (CAE) για την αξιολόγηση της μηχανικής τους συμπεριφοράς. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι ο γενετικός σχεδιασμός παρήγαγε δοκίμια, με αυξημένο συντελεστή ασφαλείας, με καλύτερη κατανομή των τάσεων στο αντικείμενο, ωστόσο η βελτιστοποίηση τοπολογίας μείωσε αποτελεσματικότερα την μετατόπιση, ενώ απαιτούσε σημαντικά λιγότερο χρόνο υπολογισμού συγκριτικά με τον γενετικό σχεδιασμό. Επιπλέον, η βελτιστοποίηση τοπολογίας παρουσίαζε αρκετά προβλήματα με το πλέγμα τα οποία δυσκόλευαν την μετέπειτα χρήση της βελτιστοποιημένης γεωμετρίας. Σε δεύτερο χρόνο για να γίνει καλύτερα η προσέγγιση των αποτελεσμάτων από προσθετικές κατασκευές, αναπτύχθηκαν δύο μοντέλα ορθοτροπικού υλικού, για πολυαμίδιο, για την καλύτερη αποτύπωση της ανισοτροπικής φύσης των τρισδιάστατα εκτυπωμένων υλικών. Η εφαρμογή αυτών των μοντέλων περιλάμβανε τη χρήση CAD/CAE συστήματος (Ansys), όπου πραγματοποιήθηκαν πρόσθετες μελέτες βελτιστοποίησης τοπολογίας για τη βελτίωση των μηχανικών ιδιοτήτων των δοκιμίων, σε καταπόνηση κάμψης και στρέψης. Τα δεδομένα για τα υλικά αυτό πάρθηκαν από προηγούμενο πείραμα. Τα αποτελέσματα της συγκριτικής ανάλυσης φανερώνουν τα δυνατά και τα αδύνατα σημεία του Γενετικού Σχεδιασμού και της Βελτιστοποίησης Τοπολογίας στο πλαίσιο της Προσθετικής Κατασκευής, προσφέροντας πληροφορίες για τις αντίστοιχες επιπτώσεις τους στις μηχανικές ιδιότητες. Η παρούσα έρευνα συμβάλλει στον αυξανόμενο όγκο γνώσεων στον τομέα της Προσθετικής Κατασκευής, παρέχοντας επιπλέον πληροφορίες για σχεδιαστές, μηχανικούς και ερευνητές που στοχεύουν στη βελτιστοποίηση των μηχανικών ιδιοτήτων σε εξαρτήματα παραγόμενα από προσθετικές κατασκευές.