Analysis to Support Design for Additive Manufacturing with Desktop 3D Printing

Abstract

[ES] En los últimos años, la fabricación aditiva a través de la extrusión de materiales ha experimentado un desarrollo y adopción acelerados gracias a la amplia disponibilidad de máquinas y materiales de bajo costo. El tamaño de estas máquinas se ha reducido del tamaño del taller al tamaño del escritorio, lo que permite su uso en configuraciones de oficina o en el hogar. Este cambio ha permitido la adopción de la tecnología por la gama más amplia de usuarios que nunca, con o sin experiencia en diseño de ingeniería. Este nuevo paradigma ha creado el desafío de cómo habilitar que estos nuevos usuarios aprovechen las capacidades proporcionadas por esta tecnología. Esta tecnología permite la creación de geometrías complejas y productos personalizados con un coste inferior a los procesos de fabricación convencionales. Además, la gran cantidad de usuarios dispuestos a compartir sus diseños permite encontrar soluciones de diseño desde otros diseñadores. Sin embargo, la amplia gama de configuraciones de máquina, parámetros y materiales requiere brindar soporte para obtener resultados exitosos para cualquier combinación. Esta tesis aborda este desafío identificando las características de diseño y fabricación a considerar e investigando las consideraciones mecánicas y de pos procesamiento. Se propone y evalúa un nuevo marco de diseño que permite a los nuevos usuarios aprovechar las capacidades y considerar las limitaciones. Esta investigación encuentra que es posible crear un conjunto de herramientas de diseño que permita a los usuarios no capacitados diseñar productos utilizando la complejidad habilitada por la tecnología al tiempo que garantiza la funcionalidad y la capacidad de fabricación del producto.

[CA] En els últims anys, la fabricació additiva a través de l'extrusió de materials ha experimentat un desenvolupament i adopció accelerats gràcies a l'àmplia disponibilitat de màquines i materials de baix cost. La grandària d'aquestes màquines s'ha reduït de la grandària del taller a la grandària de l'escriptori, la qual cosa permet el seu ús en configuracions d'oficina o en a casa. Aquest canvi ha permés l'adopció de la tecnologia per la gamma més àmplia d'usuaris que mai, amb o sense experiència en disseny o enginyeria. Aquest nou paradigma ha creat el desafiament de com habilitar que aquests nous usuaris aprofiten les capacitats proporcionades per aquesta tecnologia. Aquesta tecnologia permet la creació de geometries complexes i productes personalitzats amb un cost inferior als processos de fabricació convencionals. A més, la gran quantitat d'usuaris disposats a compartir els seus dissenys permet trobar solucions de disseny des d'altres dissenyadors. No obstant això, l'àmplia gamma de configuracions de màquina, paràmetres i materials requereix brindar suport per a obtindre resultats reeixits per a qualsevol combinació. Aquesta tesi aborda aquest desafiament identificant les característiques de disseny i fabricació a considerar i investigant les consideracions mecàniques i de post processament. Es proposa i avalua un nou marc de disseny que permet als nous usuaris aprofitar les capacitats i considerar les limitacions. Aquesta investigació troba que és possible crear un conjunt d'eines de disseny que permeta als usuaris no capacitats dissenyar productes utilitzant la complexitat habilitada per la tecnologia al mateix temps que garanteix la funcionalitat i la capacitat de fabricació del producte.

[EN] In recent years, additive manufacturing through material extrusion has experienced accelerated development and adoption thanks to the wide availability of low-cost machines and materials. The size of these machines has been reduced from shop floor to desktop size, enabling their usage in office setups or at home. This change has allowed the adoption of the technology by the broadest range of users than ever, with or without an engineering design background. This new paradigm has created the challenge of how to enable these novel users to leverage the capabilities provided by this technology. This technology allows the creation of complex geometry and customised products with a cost lower than conventional manufacturing processes. Furthermore, the large number of users willing to share their designs allows finding design solutions from other designers. However, the wide range of machine configurations, parameters and materials requires providing support to obtain successful results under any combination. This thesis addresses this challenge by identifying the design and manufacturing characteristics to be considered and investigating the mechanical and post-processing considerations. A new design framework that enables new users to leverage the capabilities and consider the limitations is proposed and evaluated. This research finds that it is possible to create a design toolkit that enables untrained users to design products using the complexity enabled by the technology whilst ensuring the product's functionality and manufacturability.