Development of an integrated topology optimization procedure with overhang restrictions for additive manufacturing

211 p.Lan honetan topologia optimizazio metodoen eta fabrikazio aditibo teknologien integraziorako prozedura bat aurkezten da, helburutzat 3D inprimaketa prozesuetan euskarri materialik behar izango ez duten diseinu guztiz eutsi eta optimoen garapena duena. Honakoa gogoan izanda, fabrikazio aditibo prozesuetan azaltzen den overhang arazoa kontrolatzeko murrizpen berri bat garatu da, non overhang arazoa angelu limite batetik beherako inklinazioa duten hegan dauden ingeradak sortzeko gaitasun falta den.Tesi honek ingeraden dentsitate gradientearen kalkuluan oinarritutako metodo modakor bat proposatzen du, diseinu guztiz eutsiak zein fabrikazio eta errendimendu konpromiso hoberena bilatzen duten estrategien bidez garatutako diseinuak lortzea ahalbidetzen duena. Estrategia mota hauek, ikerketa honetan ere tratatuak izan diren eutsitako mekanismo malguen diseinu optimoan oso erabilgarriak direla erakutsi dute. Orobat, algoritmoaren moldakortasunak literaturan proposatutako edozein overhang angelurekin lan egitea baimentzen duOptimizazio prozesuko iterazio bakoitzean egitura osatzen duten ingeradak detektatzeko, Irudi Digitalen Prozesaketa arloan garatutako, eta hemen lantzen de topologia optimizazio problemara moldatutako ingeraden detekzio algoritmo bat erabiliko da. Operadore honek Smallest Univalue Segment Assimilating Nucleus du izena, eta ingeraden kokapenari buruzko informazio zehatza emateaz gai, hauen inklinazioa ere ezagutzea baimentzen du. Ingeraden inklinazioa ezaguna dela, hauek ingeradak eutsi eta ez eutsi bezala sailkatzen dira, eta datu hauekin overhang murrizpena eraikitzen da.Murrizpen honek permisibitate gradu moldakor bat baimentzen duen kontrol parametro bat hartzen du bere barnean, oso garrantzitsua izango dena mekanismo malguen diseinuetan. Bertan, xedetzat euskarri material bolumen minimoa eta euskarri egitura kopuru kontrolatu betekin batera, helburu funtzioaren erantzun optimoena ematen duen soluzioa bilatzea duten estrategiak definitzea ahalbidetuko du.Proposatzen den murrizpena arrakasta handiarekin integratu da aipatutako ingerada detekzio teknikarekin batera aldagai jarraituetan oinarritutako topologia optimizazio algoritmo baten barnean, eta honen adierazle dira landutako zenbakizko emaitzak zein garatutako emaitza esperimentalak(ez bete tarte hau baino gehiago

Development of an integrated topology optimization procedure with overhang restrictions for additive manufacturing

211 p.Lan honetan topologia optimizazio metodoen eta fabrikazio aditibo teknologien integraziorako prozedura bat aurkezten da, helburutzat 3D inprimaketa prozesuetan euskarri materialik behar izango ez duten diseinu guztiz eutsi eta optimoen garapena duena. Honakoa gogoan izanda, fabrikazio aditibo prozesuetan azaltzen den overhang arazoa kontrolatzeko murrizpen berri bat garatu da, non overhang arazoa angelu limite batetik beherako inklinazioa duten hegan dauden ingeradak sortzeko gaitasun falta den.Tesi honek ingeraden dentsitate gradientearen kalkuluan oinarritutako metodo modakor bat proposatzen du, diseinu guztiz eutsiak zein fabrikazio eta errendimendu konpromiso hoberena bilatzen duten estrategien bidez garatutako diseinuak lortzea ahalbidetzen duena. Estrategia mota hauek, ikerketa honetan ere tratatuak izan diren eutsitako mekanismo malguen diseinu optimoan oso erabilgarriak direla erakutsi dute. Orobat, algoritmoaren moldakortasunak literaturan proposatutako edozein overhang angelurekin lan egitea baimentzen duOptimizazio prozesuko iterazio bakoitzean egitura osatzen duten ingeradak detektatzeko, Irudi Digitalen Prozesaketa arloan garatutako, eta hemen lantzen de topologia optimizazio problemara moldatutako ingeraden detekzio algoritmo bat erabiliko da. Operadore honek Smallest Univalue Segment Assimilating Nucleus du izena, eta ingeraden kokapenari buruzko informazio zehatza emateaz gai, hauen inklinazioa ere ezagutzea baimentzen du. Ingeraden inklinazioa ezaguna dela, hauek ingeradak eutsi eta ez eutsi bezala sailkatzen dira, eta datu hauekin overhang murrizpena eraikitzen da.Murrizpen honek permisibitate gradu moldakor bat baimentzen duen kontrol parametro bat hartzen du bere barnean, oso garrantzitsua izango dena mekanismo malguen diseinuetan. Bertan, xedetzat euskarri material bolumen minimoa eta euskarri egitura kopuru kontrolatu betekin batera, helburu funtzioaren erantzun optimoena ematen duen soluzioa bilatzea duten estrategiak definitzea ahalbidetuko du.Proposatzen den murrizpena arrakasta handiarekin integratu da aipatutako ingerada detekzio teknikarekin batera aldagai jarraituetan oinarritutako topologia optimizazio algoritmo baten barnean, eta honen adierazle dira landutako zenbakizko emaitzak zein garatutako emaitza esperimentalak(ez bete tarte hau baino gehiago

A new overhang constraint for topology optimization of self-supporting structures in additive manufacturing

This work falls within the scope of computer-aided optimal design, and aims to integrate the topology optimization procedures and recent additive manufacturing technologies (AM). The elimination of scaffold supports at the topology optimization stage has been recognized and pursued by many authors recently. The present paper focuses on implementing a novel and specific overhang constraint that is introduced inside the topology optimization problem formulation along with the regular volume constraint. The proposed procedure joins the design and manufacturing processes into a integrated workflow where any component can directly be manufactured with no requirement of any sacrificial support material right after the topology optimization process. The overhang constraint presented in this work is defined by the maximum allowable inclination angle, where the inclination of any member is computed by the Smallest Univalue Segment Assimilating Nucleus (SUSAN), an edge detection algorithm developed in the field of image analysis and processing. Numerical results on some benchmark examples, along with the numerical performances of the proposed method, are introduced to demonstrate the capacities of the presented approach.This work was supported by The European Regional Development Fund (ERDF-FEDER) and the Ministry of Education and Science in Spain through the DPI2015-64863-R project (MINECO/FEDER-UE). The authors also wish to thank the Basque Government for financial assistance through IT919-16