Diseño óptimo de un mecanismo paralelo enfocado en manufactura aditiva

• Autores: Diego Alejandro Nuñez Vallejos
• Directores de la Tesis: Mauricio Mauledoux (dir. tes.), Oscar Fernando Avilés Sánchez (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Militar Nueva Granada (Bogotá) ( Colombia ) en 2023
• Idioma: español
• Títulos paralelos:
  • Optimal design of a parallel mechanism focused on additive manufacturing
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: hdl.handle.net
• Resumen
  • español

    La manufactura aditiva es una técnica cuyo principio técnico es la adición de capas de material para fabricar piezas. Aunque se han hecho estudios en pro de su mejora en aspectos de deposición, control de temperatura, flujos y movimientos, estos últimas aún presentan retos a superar. Las máquinas convencionales tienen movimientos cartesianos que genera dificultades relacionados con el acabado, con los requerimientos isotrópicos, con la unión de capas, con el uso de material de soporte, con las bajas velocidades de impresión y con la imposibilidad de imprimir alrededor de obstáculos. Con el fin de mejorar estos aspectos, algunos desarrollos han usado mecanismos paralelos como base de movimiento; sin embargo, las técnicas convencionales de diseño estos mecanismos se han concentrado en dividir esta etapa en fases. Usualmente, se concentran los primeros esfuerzos en los requerimientos estructurales y geométricos, para luego pasar a la fase de control. El resultado de esto son mecanismos sobredimensionados con altos requerimientos energéticos y costos elevados. Por tal motivo es necesario desarrollar un mecanismo paralelo que incremente la multidireccionalidad del sistema y optimice los requerimientos volumétricos, con movimientos suaves, demanda energética pequeña y buena precisión de movimientos. Por tal motivo, se planteó una estrategia de diseño considerando aspectos como:el análisis cinemático y dinámico del mecanismo; un espacio de trabajo computacionalmente eficiente debido a sus características discretas y técnicas de búsqueda;un nuevo índice de manipulabilidad; una estrategia de control robusta donde se examinen sus errores y esfuerzos de control; indicadores de desempeño energético y de eficiencia de control y el planteamiento de funciones objetivo que junto con sus restricciones fueron evaluadas paralelamente en algoritmos metaheurísticos de optimización. Esta estrategia de diseño no solo logró obtener un mecanismo paralelo con seis grados de libertad, llamado HEXA, para su implementación en manufactura aditiva, sino que, presentó nuevas formas de análisis y control de mecanismos de cinemática paralela que involucran análisis y desarrollos geométrico, de movimiento y de control. Finalmente, la metodología empleada puede ser la base para el análisis, diseño y optimización otros mecanismos paralelos y hace que ésta forma de diseño tenga el potencial de crear nuevas investigaciones, profesiones, industrias y empleos; impactando la academia y la industria.

  • English

    Additive manufacturing is a technique whose fundamental principle involves adding layers of material to create parts. While numerous studies have been conducted to enhance material deposition, temperature control, material flow, and motion, the latter still pose significant challenges. Traditional machines with Cartesian directions often lead to difficulties associated with finishing, meeting isotropic requirements, achieving proper layer bonding, utilizing support materials, slow printing speeds, and the inability to print around obstacles. To address these issues, some advancements have turned to parallel manipulators as the foundation for motion mechanisms. However, conventional approaches to designing these manipulators have typically divided the process into stages. Typically, initial efforts focus on structural and geometric requirements, followed by the control phase. This frequently results in oversized mechanisms with high energy consumption and substantial costs. Consequently, it becomes imperative to develop a parallel mechanism tailored for additive manufacturing that enhances system multi-directionality while optimizing volumetric requirements with smooth motions, minimal energy consumption, and precise movement. In pursuit of these goals, a design strategy was proposed, considering aspects such as kinematic and dynamic analysis of the mechanism, computationally efficient working volumes due to their discrete characteristics, and search techniques. It also introduced a new manipulability index, a robust control strategy that accommodates control errors and efforts, energy performance and control efficiency metrics, and objective functions. These elements, in conjunction with their constraints, were concurrently evaluated using metaheuristic optimization algorithms. This design strategy not only successfully produced a six-degrees-of-freedom parallel manipulator named HEXA, tailored for additive manufacturing, which fulfills the aforementioned requirements, but it also introduced innovative methods for analyzing and controlling parallel kinematic mechanisms, encompassing geometric, kinematic, and control analyses. Finally, this methodology can serve as a foundation for the analysis, design, and optimization of other parallel mechanisms and holds the potential to spark new research, professions, industries, and job opportunities, thereby making a substantial impact on both academia and industry.