Design strategies for additive manufacturing using vat photopolymerization systems

Abstract

Las tecnologías de fabricación aditiva (AM) posibilitan la fabricación de piezas geométricamente complejas, las cuales promueven el diseño creativo y comienzan a dar una nueva visión de cómo los productos pueden ser concebidos y diseñados. Dadas las posibilidades que estas tecnologías ofrecen, especialmente la libertad a la hora de diseñar, es posible incorporar la demandas más exigentes de la industria en el desarrollo de producto. No obstante, para explorar y sacar ventaja de las posibilidades más remarcables de estas tecnologías, nuevos métodos para diseñar han de ser desarrollados, así como facilitar la transición de una mentalidad de producción en masa enfocada a la mecanización y la substracción de material. Esta Tesis explora y desarrolla estrategias de diseño que puedan potenciar la incorporación de valor añadido a la producción directa de aplicaciones en los sectores energético, salud y transporte, gracias a la utilización de sistemas de fabricación aditiva por fotopolimerización (vat photopolymerization). Dichos sistemas permiten una producción de gran precisión en un amplio rango de polímeros y cerámicos de alto rendimiento, estos últimos obtenidos mediante slurries fotopolimerizables. Las estrategias presentadas llevan a la creación de una metodología enfocada al diseño para la fabricación aditiva (DfAM), desarrollada especialmente para sistemas por fotopolimerización que definitiva resultan en: aligeramiento del producto y reducción de tamaño, a través del uso de metamateriales o la aplicación de optimización topológica; integración de funcionalidades; incorporación de propiedades superficiales controlada; la minimización de impactos ambientales y la mejora de rendimiento operativos a nivel fluídico, térmico y mecánico. Por lo tanto, esta investigación, llevada a cabo con el apoyo del proyecto europeo ToMax “Tooles manufacture of complex structures”, presenta nuevas gramáticas espaciales, demostradores y productos finales para el consumidor en polímeros y cerámicos, basados en guías de diseño resultado de análisis experimental y la simulación de los procesos utilizados. Finalmente, se presentan en este trabajo procedimiento sistemáticos para la evaluación de los impactos medioambientales que permitan promover el impacto industrial de estas tecnologías y sus aplicaciones asociadas. ----------ABSTRACT---------- Additive Manufacturing (AM) technologies enable the fabrication of geometrically complex parts which promote the creative design and are starting to reshape the way products are conceived and designed. Given the capabilities of these technologies, specially the freedom in design, it is now possible to incorporate the most challenging demands of the industry into the product development. Nevertheless, in order to fully explore and take benefit of the remarkable possibilities of these technologies, innovative design approaches should be developed, so as to shift from traditional design processes, oriented to mass production and tooling, towards methods taking account of the potentials, the limitations and special features of additive technologies. This PhD Thesis explores and develops design strategies for providing a potential added value in the direct part production of applications for the energy, health and transport sectors, using vat photopolymerization systems. These systems lead to highly precise manufacturing in a wide set of photopolymers and high-performance ceramics, by resorting to additive photopolymerization of ceramic slurries. The strategies converge into an integrative Design for Additive Manufacturing (DfAM) methodology, specially developed and deployed for vat photopolymerization technologies, which in turn support: lightweight design and downsizing, through the use of metamaterials or topological optimization; integration of functionalities; incorporation of controlled surface properties; minimization of eco-impacts and enhancement of the mechanical, thermal and fluidic performance. Therefore, this research, performed with the support of the EU Horizon 2020 "ToMax: Toolless manufacture of complex structures" project, presents novel shape grammars, end-user parts and demonstrators in polymers and ceramics, which are supported by design guidelines resulting from experimental analysis and process modeling of the operated systems. Finally, systematic procedures for the assessment of the environmental issues are developed for promoting the industrial impact these technologies and related applications.