Αξιοποίηση σύνθετων υλικών στην προσθετική κατασκευή.

Abstract

Η τεχνολογία της προσθετικής κατασκευής επιτρέπει τη δημιουργία τρισδιάστατων αντικειμένων από ψηφιακά αρχεία. Η διαδικασία αυτή περιλαμβάνει τη χρήση ειδικών εκτυπωτών, που μπορούν να κατασκευάσουν τα αντικείμενα από διαδοχικά στρώματα υλικού, χρησιμοποιώντας σκλήρυνση, εναπόθεση ή ενοποίηση υλικών. Αρχικά, η τεχνολογία αυτή χρησιμοποιούνταν κυρίως για την παραγωγή μοντέλων και πρωτοτύπων, καθώς αποτελούσε μια γρήγορη και φθηνή μέθοδο παραγωγής προϊόντων. Ωστόσο, τα τελευταία χρόνια έχει εξελιχθεί πολύ και χρησιμοποιείται πλέον και για την παραγωγή ανταλλακτικών για διάφορα είδη μηχανών και συστημάτων. Η προσθετική κατασκευή επιτρέπει τη δημιουργία σύνθετων γεωμετρικών σχημάτων και εξαρτημάτων, επιτρέποντας την παραγωγή προσαρμοσμένων λύσεων για τις απαιτήσεις που υπάρχουν. Η ταχεία δημιουργία πρωτοτύπων αναπτύχθηκε τη δεκαετία του 1980, ως μια τεχνολογία παραγωγής μοντέλων και πρωτοτύπων με χρήση των τεχνολογιών της προσθετικής κατασκευής και της υπολογιστικής τεχνολογίας. Η προσθετική κατασκευή είναι μια τεχνολογία που έχει αλλάξει τον τρόπο με τον οποίο σχεδιάζονται και κατασκευάζονται πρωτότυπα και προϊόντα στον βιομηχανικό τομέα. Αυτές οι τεχνολογίες κατέστησαν δυνατόν να παραχθούν πρωτότυπα και προϊόντα με μεγαλύτερη ακρίβεια, ταχύτητα και οικονομία σε σχέση με τις παραδοσιακές μεθόδους κατασκευής. Στην προσθετική κατασκευή μπορούν να χρησιμοποιηθούν διάφοροι τύποι υλικού, όπως πολυμερή πλαστικά, μέταλλα, κεραμικά, βιοσυμβατικά υλικά και σύνθετα υλικά. Αυτά τα υλικά καλύπτουν μια ευρεία γκάμα απαιτήσεων και εφαρμογών στην προσθετική κατασκευή, ανάλογα με τις ανάγκες του έργου. Οι επιλογές υλικού συνδέονται συχνά με τις ειδικές ιδιότητες που καλύπτουν τις απαιτήσεις του τελικού προϊόντος, όπως μηχανική αντοχή, αντοχή σε θερμοκρασία, βιοσυμβατότητα, αγωγιμότητα και άλλα. Η επιλογή του κατάλληλου υλικού είναι κρίσιμη για την επίτευξη των επιθυμητών αποτελεσμάτων στην προσθετική κατασκευή. Σε σύγκριση με άλλες τεχνολογίες που υπάρχουν, οι τρισδιάστατοι εκτυπωτές είναι συνήθως ταχύτεροι, φθηνότεροι και ευκολότεροι στη χρήση. Για τον λόγο αυτό πολύ πιθανόν στα επόμενα χρόνια η παγκόσμια παραγωγή αγαθών να στραφεί προς αυτή την κατεύθυνση, αντικαθιστώντας σταδιακά τις παραδοσιακές τεχνικές. Δεν είναι λίγοι αυτοί που πιστεύουν ότι η προσθετική κατασκευή θα αποτελέσει μία νέα βιομηχανική επανάσταση, καθώς θα ανοίξει τον δρόμο για την τοπική παραγωγή μικρής κλίμακας, προσαρμοσμένη στις ανάγκες του ανθρώπου σήμερα. Στην παρούσα πτυχιακή εργασία, παρουσιάζονται οι δυνατότητες και οι εξελίξεις στο χώρο της προσθετικής κατασκευής, με έμφαση στα υλικά από 3D εκτυπωτές και στα εύκαμπτα ρομπότ, καθώς και στις βελτιώσεις στις μηχανικές, οπτικές και βιολογικές ιδιότητες των νανοσύνθετων υλικών. Μέσα από μια μελέτη περίπτωσης στον τομέα της μηχανικής, αναλύονται οι δυνατότητες και οι προοπτικές αυτών των τεχνολογιών και παρουσιάζεται ποιο είναι το μέλλον της προσθετικής κατασκευής στη μηχανική.

The thesis begins with an overview of abbreviations and acronyms related to the topic, followed by a prologue and introduction.The historical background of additive manufacturing is provided, tracing its evolution over time. The first chapter discusses the various possibilities of using materials from 3D printers, including applications and material categories. Specific techniques such as Fused Deposition Modeling (FDM), Powder Bed Fusion (PBF), Stereolithography (SLA), Selective Laser Sintering (SLS), and more are explored. Chapter 2 delves into the field of bioprinting, examining solid inks based on polymers and various materials used in the process. Materials such as Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS), Polylactic Acid (PLA), Polycaprolactone (PCL), and others are discussed. The thesis also investigates the use of nanocomposite materials in additive manufacturing in Chapter 3, highlighting their enhancements in mechanical, optical, and biological properties. The chapter further explores the application of nanocomposites in sensors, the healthcare industry, and the use of metal nanoparticles in additive manufacturing. Chapter 4 presents case studies from contemporary engineering applications, showcasing the practical implementation of additive manufacturing. It discusses the system theory, data collection, analysis, and results obtained from these case studies. Chapter 5 focuses on composite materials in additive manufacturing, discussing the industrial demand for composites, carbon-based polymers, and the production of multifunctional nanocomposite materials. Chapter 6 explores modern additive materials, including a study on microstructure examination of dental ceramics, the development of dual-material additive structures, and the selective laser melting of TiNi with negative Poisson's ratio structure. Finally, Chapter 7 provides insights into the future of additive manufacturing in engineering, emphasizing the fundamental principles and digital workflow. It also discusses design considerations, trends, opportunities, and limitations in additive manufacturing. Overall, this thesis provides a comprehensive analysis of additive manufacturing in engineering, encompassing material categories, bioprinting, nanocomposites, composite materials, modern additive materials, and future perspectives. It highlights the transformative potential of additive manufacturing for the engineering industry.