Presented at the 11th International Conference on ICT in Education, Research and Industrial Applications: Integration, Harmonization and Knowledge Transfer Lviv, Ukraine, May 14-16, 2015. Author supplied: Abstract. User requirements and low-cost small quantity production are new challenges for the modern manufacturing industry. This means that small batch sizes or even the manufacturing of one single product should be affordable. To make such a system cost-effective it should be capable to use the available production resources for many different products in parallel. This paper gives a description of the requirements and architecture of an end-user driven production system. The end-user communicates with the production system by a web interface, so this manufacturing system can be characterized in terms of cloud comput- ing as the implementation of manufacturing as a service, abbreviated to MaaS.
Elke periode kent zijn eigen revolutie en elke revolutie brengt zijn eigen organisatorische model met zich mee. We bevinden ons nu in de 4e industri¨ele revolutie, waar het internet van dingen ons verbindt met autonome embedded systemen. Deze systemen zijn actief in de virtuele ’cyber’ wereld, alsook in de echte ’fysieke’ wereld om ons heen. Deze zogenoemde ’Cyber-Fysieke’ Systemen volgen daarmee een modern organisatorisch model, namelijk zelfmanagement, en zijn dan ook in staat zelf proactieve acties te ondernemen. Dit proefschrift belicht productiesystemen vanuit het Cyber-Fysieke perspectief. De productiesystemen zijn hier herconfigureerbaar, autonoom en zeer flexibel. Dit kan enkel worden bereikt door het ontwikkelen van nieuwe methodes en het toepassen van nieuwe technologie¨en die flexibiliteit verder bevorderen. Echter, effici¨entie is ook van belang, bijvoorbeeld door productassemblage zo flexibel te maken dat het daardoor kosteneffici¨ent is om de productie van diverse producten met een lage oplage, zogenaamde high-mix, low volume producten, te automatiseren. De mogelijkheid om zo flexibel te kunnen produceren moet bereikt worden door de creatie van nieuwe methoden en middelen, waarbij nieuwe technologie¨en worden gecombineerd; een belangrijk aspect hierbij is dat dit toepasbaar getest moet worden door gebruik van simulatoren en speciaal hiervoor ontwikkelde productiesystemen. Dit onderzoek zal beginnen met het introduceren van het concept achter de bijbehorende productiemethodologie, welke Grid Manufacturing is genoemd. Grid Manufacturing wordt uitgevoerd door autonome entiteiten (agenten) die zowel de productiesystemen zelf, als de producten representeren. Producten leven dan al in de virtuele cyber wereld voordat zij daadwerkelijk zijn gebouwd, en zijn zich bewust uit welke onderdelen zij gemaakt moeten worden. De producten communiceren en overleggen met de autonome herconfigureerbare productiesystemen, de zogenaamde equiplets. Deze equiplets leveren generieke diensten aan een grote diversiteit aan producten, die hierdoor op elk moment geproduceerd kunnen worden. Het onderzoek focust hierbij specifiek op de equiplets en de technische uitdagingen om dynamisch geautomatiseerde productie mogelijk te maken. Om Grid Manufacturing mogelijk te maken is er een set van technologische uitdagingen onderzocht. De achtergrond, onderzoeksaanpak en concepten zijn dan ook de eerste drie inleidende hoofdstukken. Daarna begint het onderzoek met Hoofdstuk 4 Object Awareness. Dit hoofdstuk beschrijft een dynamische manier waarop informatie uit verschillende autonome systemen gecombineerd wordt om objecten te herkennen, lokaliseren en daarmee te kunnen manipuleren. Hoofdstuk 5 Herconfiguratie beschrijft hoe producten communiceren met de equiplets en welke achterliggende systemen ervoor zorgen dat, ondanks | Dutch Summary 232 dat het product niet bekend is met de hardware van de equiplet, deze toch in staat is acties uit te voeren. Tevens beschrijft het hoofdstuk hoe de equiplets omgaan met verschillende hardwareconfiguraties en ondanks de aanpassingen zichzelf toch kunnen besturen. De equiplet kan dan ook aangepast worden zonder dat deze opnieuw geprogrammeerd hoeft te worden. In Hoofdstuk 6 Architectuur wordt vervolgens dieper ingegaan op de bovenliggende architectuur van de equiplets. Hier worden prestaties gecombineerd met flexibiliteit, waarvoor een hybride architectuur is ontwikkeld die het grid van equiplets controleert door het gebruik van twee platformen: Multi-Agent System (MAS) en Robot Operating System (ROS). Nadat de architectuur is vastgesteld, wordt er in Hoofdstuk 7 onderzocht hoe deze veilig ingezet kan worden. Hierbij wordt een controlesysteem ingevoerd dat het systeemgedrag bepaalt, waarmee het gedrag van de equiplets transparant wordt gemaakt. Tevens zal een simulatie met input van de sensoren uit de fysieke wereld ’live’ controleren of alle bewegingen veilig uitgevoerd kunnen worden. Nadat de basisfunctionaliteit van het Grid nu compleet is, wordt in Hoofdstuk 8 Validatie en Utilisatie gekeken naar hoe Grid Manufacturing gebruikt kan worden en welke nieuwe mogelijkheden deze kan opleveren. Zo wordt er besproken hoe zowel een hi¨erarchische als een heterarchische aanpak, waar alle systemen gelijk zijn, gebruikt kan worden. Daarnaast laat het hoofdstuk o.a. aan de hand van enkele voorbeelden en simulaties zien welke effecten herconfiguratie kan hebben, en welke voordelen deze aanpak zoal kan bieden.. Het proefschrift laat zien hoe met technische middelen geautomatiseerde flexibiliteit mogelijk wordt gemaakt. Hoewel het gehele concept nog volwassen zal moeten worden, worden er enkele aspecten getoond die op de korte termijn toepasbaar zijn in de industrie. Enkele voorbeelden hiervan zijn: (1) het combineren van gegevens uit diverse (autonome) bronnen voor 6D-lokalisatie; (2) een data-gedreven systeem, de zogeheten hardware-abstractielaag, die herconfigureerbare systemen controleert en de mogelijkheid biedt om deze productiesystemen aan te passen zonder deze te hoeven herprogrammeren; en (3) het gebruik van Cyber-Fysieke systemen om de veiligheid te verhogen.
MULTIFILE
When using autonomous reconfigurable manufacturing system, that offers generic services, there is the possibility to dynamically manufacture a range of products using the same manufacturing equipment. Opportunities are created to optimally scale the production using reconfiguration means and automatically manufacture small amounts of unique or highly customizable products. Basically the result is a short time to market for new products. This paper discusses the problems that arise when manufacturing systems are reconfigured and the impact of this action on the entire system. The proposed software architecture and tooling makes it possible to quickly reconfigure a system without interference to other system, and shows how the reconfigured hardware can be controlled without the need to reprogram the software. Parameters that are required to control the new hardware can be added using a simple tool. As a result reconfiguration is simplified and can be achieved quickly by mechanics without reprogramming any systems. The impact is that time to market can be reduced and manufacturing systems can quickly be adapted to current real-time needs.
Hout is een veelgebruikt duurzaam (bouw)materiaal met belangrijke ecologische voordelen: Het is hernieuwbaar en fungeert als CO2-opslag. Een nadeel van hout is echter dat het alleen met verspanende technieken (draaien, frezen, zagen) verwerkt kan worden, hetgeen veel houtafval veroorzaakt. Daarbij wordt het afval en hout dat ongeschikt is als constructiemateriaal slechts ingezet in laagwaardige toepassingen of verbrand. Afgezien van het gebruik van houtvezels als filler materiaal bij 3D-printen van kunststoffen, wordt 3D-printen van hout(afval) nog niet toegepast, hoewel dit wel mogelijk is: Alle plantaardige materialen bevatten natuurlijke polymeren, lignine en cellulose, welke voor mechanische eigenschappen zorgen. Door deze polymeren uit plantaardige materialen te scheiden kunnen deze, met behulp van enkele additieven, in een thermoplastisch verwerkbaar materiaal worden omgezet dat extrudeerbaar is. Door de locatie van de extruder te manipuleren en hier laagsgewijs een object mee te maken ontstaat een additive manufacturing (AM) proces: een 3D ‘hout’printer! Naast materiaalefficiëntie biedt AM unieke voordelen, namelijk grote vormvrijheid en de mogelijkheid van seriematige enkelstuksproductie. Indien gecombineerd met de ontwerptechnieken parametrisch en topologische ontwerpen zijn vergaande optimalisaties van materiaalgebruik en productvariaties mogelijk. Met AM ontstaat zodoende een enorm nieuw spectrum van hoogwaardige toepassingsmogelijkheden voor hout(afval). In dit projectvoorstel wordt via de driehoek van ‘materiaal – proces – toepassing’ simultaan onderzoek gedaan naar: (1) Geschikte combinaties (blends) van cellulose en lignine om mee te kunnen extruderen; (2) Het ontwikkelen van een 3D-printproces en setup voor het verwerken van deze materiaal-combinaties; (3) Het identificeren van geschikte toepassingen. Geschikte toepassingen worden beïnvloed door materiaaleigenschappen en het printproces. Beide aspecten hebben ook onderlinge wisselwerking. Daarom wordt binnen casestudies van mogelijke toepassingen de onderlinge invloed integraal onderzocht. De doelstelling is daarbij om een werkende 3D ‘hout’printer met een werkend receptuur te ontwikkelen en de haalbaarheid van innovatieve, duurzame en voor de markt relevante toepassingen aan te tonen middels cases.
Currently, many novel innovative materials and manufacturing methods are developed in order to help businesses for improving their performance, developing new products, and also implement more sustainability into their current processes. For this purpose, additive manufacturing (AM) technology has been very successful in the fabrication of complex shape products, that cannot be manufactured by conventional approaches, and also using novel high-performance materials with more sustainable aspects. The application of bioplastics and biopolymers is growing fast in the 3D printing industry. Since they are good alternatives to petrochemical products that have negative impacts on environments, therefore, many research studies have been exploring and developing new biopolymers and 3D printing techniques for the fabrication of fully biobased products. In particular, 3D printing of smart biopolymers has attracted much attention due to the specific functionalities of the fabricated products. They have a unique ability to recover their original shape from a significant plastic deformation when a particular stimulus, like temperature, is applied. Therefore, the application of smart biopolymers in the 3D printing process gives an additional dimension (time) to this technology, called four-dimensional (4D) printing, and it highlights the promise for further development of 4D printing in the design and fabrication of smart structures and products. This performance in combination with specific complex designs, such as sandwich structures, allows the production of for example impact-resistant, stress-absorber panels, lightweight products for sporting goods, automotive, or many other applications. In this study, an experimental approach will be applied to fabricate a suitable biopolymer with a shape memory behavior and also investigate the impact of design and operational parameters on the functionality of 4D printed sandwich structures, especially, stress absorption rate and shape recovery behavior.
Nowadays, there is particular attention towards the additive manufacturing of medical devices and instruments. This is because of the unique capability of 3D printing technologies for designing and fabricating complex products like bone implants that can be highly customized for individual patients. NiTi shape memory alloys have gained significant attention in various medical applications due to their exceptional superelastic and shape memory properties, allowing them to recover their original shape after deformation. The integration of additive manufacturing technology has revolutionized the design possibilities for NiTi alloys, enabling the fabrication of intricately designed medical devices with precise geometries and tailored functionalities. The AM-SMART project is focused on exploring the suitability of NiTi architected structures for bone implants fabricated using laser powder bed fusion (LPBF) technology. This is because of the lower stiffness of NiTi alloys compared to Ti alloys, closely aligning with the stiffness of bone. Additionally, their unique functional performance enables them to dissipate energy and recover the original shape, presenting another advantage that makes them well-suited for bone implants. In this investigation, various NiTi-based architected structures will be developed, featuring diverse cellular designs, and their long-term thermo-mechanical performance will be thoroughly evaluated. The findings of this study underscore the significant potential of these structures for application as bone implants, showcasing their adaptability for use also beyond the medical sector.
