Desenvolvimento de um exoesqueleto para produção por fabrico aditivo, usando otimização topológica

Data
2022-10-06
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Projetos de investigação
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Resumo
O efeito negativo que o trabalho industrial pode provocar nos indivíduos, sobretudo através do desempenho de tarefas repetitivas e muito prolongadas no tempo que tornam o desempenho das tarefas mais penoso e doloroso para o trabalhador, podendo afetar de forma significativa a sua saúde. Vários métodos têm sido aplicados para atenuar este efeito, entre eles um dos mais eficazes passa pela utilização de estruturas de apoio acopladas ao trabalhador. Neste trabalho foi desenvolvido um exoesqueleto passivo (sem motorização) para os membros inferiores recorrendo à otimização topológica e ao fabrico aditivo. Assim, o peso deste equipamento é um parâmetro fundamental para avaliar a sua adequabilidade para apoiar o trabalhador, foi desenvolvido um modelo de referência que teve em linha de conta vários conceitos e premissas, o peso máximo que a estrutura deve suportar, a estatura dos possíveis utilizadores, e a posição crítica onde o sistema é mais solicitado. Este modelo de referência serve de base ao processo de otimização, onde cada componente do sistema é submetido a um método de otimização chamado generative design, na perspetiva de se encontrar o modelo ideal para cada peça, de modo a que os componentes suportem os carregamentos a que são submetidos e tenham o mínimo de peso possível. Neste sentido foi necessário determinar no decorrer deste projeto todos os esforços e momentos atuantes em cada elemento. Ainda antes deste processo foram selecionados um conjunto de materiais de diferentes tipos, de modo a procurar várias soluções possíveis. Efetuou-se posteriormente uma análise comparativa entre os métodos de fabrico aditivo e subtrativo, no sentido de perceber qual destes serve melhor os propósitos do presente estudo. No final do processo de otimização obtém-se um modelo ideal para cada material selecionado. Os componentes desenvolvidos foram usados para construir toda a estrutura, tendo sido sujeitos a um processo de validação por simulação numérica. Os resultados sugerem que todos os modelos asseguram a estabilidade do sistema, no entanto a otimização da relação peso-resistência mecânica só é atingida por modelos compostos por materiais termoplásticos, destacando-se o material termoplástico reforçado por fibra de carbono. Por último, procedeu-se ao fabrico do modelo de referência e de um dos modelos otimizados, e procede-se a uma análise comparativa entre as duas soluções e seus respetivos métodos de fabrico.
The negative effect that industrial work can cause on individuals, especially through the performance of repetitive and very prolonged tasks in time that make the performance of tasks more painful and painful for the worker and can significantly affect their health. Several methods have been applied to mitigate this effect, among them one of the most effective is the use of support structures coupled to the worker. In this work a passive exoskeleton (without motorization) was developed for the lower limbs using topological optimization and additive manufacturing. The weight of this equipment is a fundamental parameter to evaluate its suitability to support the worker, a reference model was developed that took into account several concepts and premises, the maximum weight that the structure must support, the height of potential users, and the critical position where the system is most requested. This reference model serves as the basis for the optimization process, where each component of the system is subjected to an optimization method called generative design, in order to find the ideal model for each part, so that the components support the loads to which they are subjected and have the minimum weight possible. In this sense it was necessary to determine during this project all the efforts and moments active in each element. Even before this process, a set of materials of different types were selected in order to look for several possible solutions. A comparative analysis is then carried out between the additive and subtractive manufacturing methods, in order to understand which of these best serves the purposes of the present study. At the end of the optimization process you get an ideal model for each selected material. The components developed were used to build the entire structure, having been subjected to a validation process by numerical simulation. The results suggest that all models ensure the stability of the system, however the optimization of the mechanical weight-resistance ratio is only achieved by models composed of thermoplastic materials, especially the thermoplastic material reinforced by carbon fiber. Finally, the reference model and one of the optimized models were manufactured, and a comparative analysis was carried out between the two solutions and their respective manufacturing methods.
Descrição
Trabalho de Projeto de Mestrado em Engenharia Mecânica
Palavras-chave
Processo Industrial , Exoesqueleto
Citação