Optimización topológica en el entorno cgFEM para la fabricación aditiva sin soportes: evaluación de técnicas de medida del ángulo de voladizo

Abstract

[ES] En el presente Trabajo de Final de Máster se pretende desarrollar una metodología que permita restringir el proceso de Optimización Topológica para que los diseños resultantes sean autosoportantes, esto es, imprimibles a través de técnicas de Fabricación Aditiva sin la necesidad de soportes adicionales. Esta cuestión resulta relevante desde la perspectiva de su fabricación, puesto que permite ahorrar, tanto tiempo de procesamiento y postprocesamiento, como costes de producción. Para lograrlo, se plantea implementar una función de restricción explícita en el código: un esquema de penalización del ángulo de las barras de una pieza con respecto a la base del equipo de impresión (Ángulo de Voladizo). Así pues, será necesaria también la recopilación bibliográfica de métodos de medida del ángulo con técnicas de procesamiento de imagen y su comparación. La formulación se ha implementado en el código de Elementos Finitos cgFEM, desarrollado por el Centro de Investigación de Ingeniería Mecánica (UPV), que basa su funcionamiento en el uso de mallas cartesianas cuyos elementos son semejantes (proporcionales). Los resultados no son satisfactorios, pero sí esperanzadores. Los dos problemas principales detectados que impiden la convergencia del problema se cree que son: los elementos con densidades intermedias que difuminan los contornos y modifican su ángulo a conveniencia del algoritmo; y la oposición entre la restricción de volumen y la del Ángulo de Voladizo, que no se combinan, sino que dominan en diferentes regiones de la imagen, colocando material sin un criterio único.

[EN] This Mater’s Thesis aims to develop a methodology that enables Topology Optimization constraint so that designs produced are self-supporting, that is, printable through Additive Manufacturing techniques without the need for additional supports. This issue is relevant from a manufacturing outlook since it eases the lowering of both processing and postprocessing times and production costs. To accomplish that, it is proposed to implement an explicit constraint function in the code: a penalization scheme over the angle of the bars in a certain part with respect to the printing machine (Overhang Angle). In that sense, a bibliographic compilation of methods for measuring the angle based on digital image processing techniques will also be required, as well as a comparison between them. The formulation has been implemented in the Finite Element code cgFEM, developed by Centro de Investigación de Ingeniería Mecánica (UPV), whose functioning relies on cartesian meshes with similar (proportional) elements. The results are no satisfactory, yet they are promising. Two main problems have been identified that prevent the optimization to converge: the elements with intermediate densities that blur the contours and modify their angle to the algorithm convenience; and the confrontation between the volume and the overhang angle constraints that, rather than merging, dominate over different regions of the image, thus resulting in a material distribution without a unified criterion.