A voxelization and ontology-based approach for printing heterogeneous objects

Unlike traditional engineering parts, which are made of uniform materials, heterogeneous objects refer to objects with spatially different material composition or structure. Heterogeneous objects encompass objects characterized by a continuous variation of material properties, referred to as functionally graded material objects, which require precise control of the material composition at each point within the object. Heterogeneous objects are expected to exhibit superior properties in situations where a single material cannot meet the application requirements; by incorporating material heterogeneity into the object, the material properties can be tailored taking advantages of different materials while also alleviating limitations caused by material incompatibility through gradual material variation. Some additive manufacturing technologies are capable of fabricating heterogeneous objects. This study focuses on Polyjet, a material jetting technology that provides for control of material distribution at the voxel level. Despite the attractiveness of heterogeneous objects, their adoption in the industry remains limited due to the lack of a well-defined workflow for their manufacture, and a scarcity of readily accessible software tools and material property databases for their design. This research addresses these critical gaps by proposing a digital workflow, complete with methods and tools, for the design and production of heterogeneous objects employing Polyjet technology. The workflow starts from a geometric model of the object and ends with the creation of machine instructions. Key steps within the workflow encompass voxelization, material assignment, material dithering, and bitmap generation. Additionally, this work introduces the use of an ontology to establish a conceptual model of the domain that can be used, once populated, to supply the input data for the phases of the workflow. To validate the proposed methodology, two distinct case studies, each representing a different approach to the material assignment, were conducted. The first consists of a specimen that presents a material variation defined in terms of the distance of the voxels from one of the specimen faces. The second is a multimaterial prosthetic socket for transfemoral amputees, where the material distribution is defined in terms of contact pressure derived from finite element analysis.

A differenza dei componenti ingegneristici tradizionali, che sono costituiti da materiali uniformi, gli oggetti eterogenei presentano una composizione o una struttura materiale variabile spazialmente. Gli oggetti eterogenei comprendono oggetti caratterizzati da una variazione continua delle proprietà del materiale, denominati functionally graded material objects, che richiedono un controllo preciso della composizione materiale in ogni punto dell'oggetto. Si prevede che gli oggetti eterogenei presentino proprietà superiori in situazioni in cui un singolo materiale non può soddisfare i requisiti dell'applicazione; incorporando eterogeneità di materiale nell'oggetto, le proprietà del materiale possono essere personalizzate sfruttando i vantaggi di diversi materiali e alleviando le limitazioni causate dall'incompatibilità dei materiali attraverso una variazione graduale degli stessi. Alcune tecnologie di produzione additiva sono in grado di fabbricare oggetti eterogenei. Questa tesi si concentra su Polyjet, una tecnologia di material jetting che consente di controllare la distribuzione materiale a livello di singoli voxel. Nonostante l'attrattiva degli oggetti eterogenei, la loro adozione nell'industria rimane limitata a causa della mancanza di un flusso di lavoro ben definito per la loro fabbricazione e della scarsità di strumenti software e database di proprietà dei materiali facilmente accessibili per la loro progettazione. Questa ricerca affronta queste lacune proponendo un flusso di lavoro digitale, completo di metodi e strumenti, per la progettazione e la produzione di oggetti eterogenei con la tecnologia Polyjet. Il flusso di lavoro parte da un modello geometrico dell'oggetto e termina con la creazione di istruzioni per la macchina. I passaggi chiave del flusso di lavoro comprendono la voxelizzazione, l'assegnamento del materiale, il dithering del materiale e la generazione di immagini bitmap. Inoltre, questo lavoro introduce l'uso di un'ontologia per stabilire un modello concettuale del dominio che può essere utilizzato, una volta popolato, per fornire i dati di input per le fasi del flusso di lavoro. Per convalidare la metodologia proposta, sono stati condotti due casi di studio, ognuno dei quali rappresenta un approccio diverso all'assegnamento del materiale. Il primo consiste in un provino che presenta una variazione di materiale definita in termini di distanza dei voxel da una delle facce del provino. Il secondo è un'invasatura protesica multimateriale per amputati transfemorali, in cui la distribuzione del materiale è definita in termini di pressione di contatto derivata dall'analisi agli elementi finiti.