Πειραματικά επικυρωμένο πολυκλιμακικό αριθμητικό πλαίσιο για την προσομοίωση, βαθμονόμηση και βελτιστοποίηση της διεργασίας FDM και της μηχανικής συμπεριφοράς του παραγόμενου εξαρτήματος : προς την ανάπτυξη ψηφιακού διδύμου
Loading...
Date
2026-01-28
Authors
Γκέρτζος, Πέτρος
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Abstract
Λόγω της οικονομικής ανάπτυξης και της παγκόσμιας διασύνδεσης που προκύπτει από τη σύγχρονη παγκοσμιοποίηση και βιομηχανοποίηση, ο τομέας της μεταποίησης έχει αποκτήσει αυξημένη σημασία κατά την τελευταία δεκαετία. Η αυξανόμενη έμφαση των κατασκευαστών στην παραγωγικότητα, την αποδοτικότητα και τα έσοδα έχει οδηγήσει στην υιοθέτηση προηγμένων συστημάτων παραγωγής στις γραμμές παραγωγής τους. Η προηγμένη παραγωγή αποτελεί έναν όρο-ομπρέλα που επικεντρώνεται κυρίως στις τεχνολογίες συστημάτων παραγωγής και στην προσαρμοστικότητά τους. Τα δεδομένα της αγοράς υποδεικνύουν ότι τα βασικά κίνητρα για επενδύσεις στη μεταποιητική βιομηχανία είναι η μείωση του κόστους παραγωγής και η πρόσβαση σε νέες αγορές μέσω εξατομικευμένων προϊόντων.
Η τρισδιάστατη εκτύπωση, δημιουργεί νέες ευκαιρίες ως προς τις δυνατότητες παραγωγής, επιτρέποντας καινοτόμους σχεδιασμούς με σημαντικά μειωμένο κόστος παραγωγής και μικρότερους χρόνους διάθεσης στην αγορά. Μεταξύ των διαφόρων τεχνολογιών τρισδιάστατης εκτύπωσης, η Fused Deposition Modeling (FDM) παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον ως προς τη διαθεσιμότητα, το κόστος υλικών και εξοπλισμού, την ταχύτητα κατασκευής και τις απαιτήσεις μετα-επεξεργασίας. Ωστόσο, παρουσιάζει ορισμένους περιορισμούς όσον αφορά τη διαστατική ακρίβεια και τις μηχανικές ιδιότητες των παραγόμενων εξαρτημάτων. Η ύπαρξη πολλαπλών αλληλεπιδρώντων παραμέτρων διεργασίας εισάγει αβεβαιότητες στις ιδιότητες και στη συνολική μηχανική συμπεριφορά των κατασκευασμένων εξαρτημάτων. Επιπλέον, η επιλογή μη βέλτιστων παραμέτρων διεργασίας μπορεί να οδηγήσει σε κατασκευαστικά σφάλματα (π.χ. στρέβλωση εξαρτήματος) ή ακόμη και σε αποτυχημένες εκτυπώσεις, επιβραδύνοντας την παραγωγή και αυξάνοντας το κόστος. Συνεπώς, μια αριθμητική ροή εργασίας της διεργασίας, ικανή να υπερβεί τους χρονικούς και οικονομικούς περιορισμούς των πειραματικών μεθόδων και να επιτύχει ακριβείς προβλέψεις των τελικών ιδιοτήτων των εξαρτημάτων, μπορεί να βελτιώσει και να βελτιστοποιήσει σημαντικά την αποδοτικότητα της παραγωγής.
Οι κύριοι στόχοι της παρούσας έρευνας συνοψίζονται ως εξής:
Ανάπτυξη πειραματικά επικυρωμένης αριθμητικής μεθοδολογίας για την αναγνώριση και πρόβλεψη της μεσοκλιμακικής γεωμετρίας τρισδιάστατα εκτυπωμένων εξαρτημάτων, με βάση τις παραμέτρους εκτύπωσης.
Ανάπτυξη αριθμητικού πλαισίου που ενσωματώνει πολλαπλές παραμέτρους διεργασίας και προσομοιώνει τόσο τη διαδικασία κατασκευής όσο και την κατάσταση του εξαρτήματος όπως κατασκευάστηκε. Τα μοντέλα υψηλής πιστότητας δημιουργούν ένα εκτενές σύνολο δεδομένων, υπερβαίνοντας τους χρονικούς και οικονομικούς περιορισμούς των πειραματικών μεθόδων.
Βελτιστοποίηση της παραγωγικής διαδικασίας μέσω βαθμονόμησης των παραμέτρων διεργασίας με τη χρήση υποκατάστατων (surrogate) μοντέλων.
Η διατριβή αποτελείται από οκτώ κεφάλαια, τα οποία παρουσιάζονται συνοπτικά παρακάτω:
Στο Κεφάλαιο 1 παρουσιάζεται επισκόπηση του θεωρητικού υπόβαθρου, των εφαρμογών και των μεθόδων της τρισδιάστατης εκτύπωσης. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στα δεδομένα της αγοράς και στη σύγκριση των διαφορετικών τεχνολογιών τρισδιάστατης εκτύπωσης. Παρουσιάζονται επίσης συνοπτικά οι στόχοι της παρούσας διδακτορικής διατριβής.
Το Κεφάλαιο 2 επικεντρώνεται στις παραμέτρους διεργασίας και στα υλικά που χρησιμοποιούνται στη FDM. Παρέχεται αναλυτική επεξήγηση κάθε παραμέτρου, της άμεσης επίδρασής της και των διαθέσιμων επιλογών ελέγχου. Όσον αφορά τα υλικά, παρουσιάζονται βασικές πληροφορίες σχετικά με τη σύνθεσή τους, τις τυπικές ιδιότητες, τη δυνατότητα ανακύκλωσης, την εκτυπωσιμότητα και τις απαιτήσεις μετα-επεξεργασίας.
Στο Κεφάλαιο 3 παρουσιάζονται βασικά στοιχεία των αριθμητικών μεθόδων που χρησιμοποιούνται στη διατριβή, στους τομείς της υπολογιστικής μηχανικής στερεού και της υπολογιστικής ρευστοδυναμικής.
Το Κεφάλαιο 4 περιλαμβάνει συνδυασμένη πειραματική και αριθμητική ανάλυση για τη διερεύνηση της επίδρασης των παραμέτρων εκτύπωσης στη μεσοκλιμακική γεωμετρία των τρισδιάστατα εκτυπωμένων εξαρτημάτων. Κατασκευάζονται δοκίμια με διαφορετικούς συνδυασμούς παραμέτρων και οι εγκάρσιες τομές τους εξετάζονται μέσω μικροσκοπικής απεικόνισης. Αντίστοιχες γεωμετρίες προσομοιώνονται αριθμητικά με χρήση προσέγγισης υπολογιστικής ρευστοδυναμικής (CFD), λαμβάνοντας υπόψη τη μεταβολή φάσης του υλικού.
Το Κεφάλαιο 5 παρουσιάζει την ανάπτυξη πειραματικά επικυρωμένου αριθμητικού μοντέλου που εξετάζει την επίδραση πολλαπλών παραμέτρων της διεργασίας FDM. Προσομοιώνεται η σταδιακή εναπόθεση υλικού για διαφορετικούς συνδυασμούς παραμέτρων τεμαχισμού (slicing). Τα αποτελέσματα περιλαμβάνουν τον χρόνο ψύξης στοιχείων, τη μέγιστη πλαστική παραμόρφωση και τη μέγιστη τάση von Mises. Το προκύπτον σύνολο δεδομένων αξιοποιείται μέσω μοντέλων βασισμένων σε δεδομένα για ανάλυση παλινδρόμησης και βελτιστοποίηση της διεργασίας.
Το Κεφάλαιο 6 παρουσιάζει μια υβριδική αριθμητική και πειραματική μεθοδολογία για τη διερεύνηση της επίδρασης πολλαπλών παραμέτρων τεμαχισμού στην κατάσταση του εξαρτήματος όπως κατασκευάστηκε. Μια μεσοκλιμακική προσέγγιση βασισμένη σε εντολές G-code αποτυπώνει τη συγκόλληση γειτονικών νηματικών διαδρομών (rasters) και αναπαράγει την τελική κατασκευασμένη κατάσταση. Παρουσιάζεται μεθοδολογία αναγνώρισης ιδιοτήτων υλικού, καθώς και σχήμα ομογενοποίησης για μεγαλύτερα εξαρτήματα. Προσομοιώνονται περιπτώσεις σχεδιασμού με πολλαπλές παραμέτρους διεργασίας και τα αποτελέσματα περιλαμβάνουν τόσο μηχανικές αποκρίσεις όσο και αποκρίσεις διεργασίας. Το προκύπτον σύνολο δεδομένων χρησιμοποιείται για την κατασκευή επιφανειών απόκρισης, επιτρέποντας ακριβείς προβλέψεις και βελτιστοποίηση σε επίπεδο εξαρτήματος.
Το Κεφάλαιο 7 παρουσιάζει υβριδική πειραματική και αριθμητική μελέτη των παραγόντων που επηρεάζουν τη θερμοκρασία του ακροφυσίου, με στόχο τη βαθμονόμηση και την επίτευξη της επιθυμητής θερμοκρασίας εκτύπωσης. Εικόνες από υπέρυθρη (IR) κάμερα αποκαλύπτουν απόκλιση μεταξύ της θερμοκρασίας εκτύπωσης που ορίζεται κατά τον τεμαχισμό και της πραγματικής θερμοκρασίας του ακροφυσίου. Εφαρμόζεται επικυρωμένη αριθμητική μεθοδολογία που αποτυπώνει με ακρίβεια τις θερμικές απώλειες ενός τυπικού hotend και προσομοιώνει πολλαπλά σενάρια εκτύπωσης. Το παραγόμενο σύνολο δεδομένων τροφοδοτεί μοντέλα βασισμένα σε δεδομένα για ανάλυση παλινδρόμησης, επιτρέποντας τη βαθμονόμηση της θερμοκρασίας του ακροφυσίου.
Στο Κεφάλαιο 8 συνοψίζονται τα κύρια συμπεράσματα της παρούσας εργασίας και διατυπώνονται προτάσεις για μελλοντική έρευνα.
Description
Keywords
Θερμομηχανική ανάλυση, Αριθμητική μοντελοποίηση της τρισδιάστατης εκτύπωσης, Βελτιστοποίηση διεργασίας, Ανάλυση παλινδρόμησης