Autor: LÓPEZ ARRABAL, Adrián

Título: Engineering Design Methodology for Robot-Based Non-Planar Additive Manufacturing (RbNPAM)

Fecha: 2025

Materia: ---

Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS INDUSTRIALES

Departamento: INGENIERIA MECANICA

Acceso electrónico: https://oa.upm.es/90043/

Director/a(s):

• Director/a: DÍAZ LANTADA, Andrés

Resumen: Robot-Based Non-Planar Additive Manufacturing (RbNPAM) explores advancements in integrating robotics with additive manufacturing, focusing on the development and application of non-planar layer stacking methodologies. This work aims to address the limitations of traditional planar Additive Manufacturing (AM) processes, such as poor surface quality, dependence on support materials, and constrained design flexibility, by enabling material deposition along curved paths. Additionally, the development of this additive manufacturing method brings forth the need to devise new mechanical design techniques capable of generating geometries that meet the specific requirements of this manufacturing approach. By combining non-planar methodologies with multi-axis robotic systems, the research expands the possibilities of AM in producing structurally optimized and geometrically complex parts. The primary goal of the thesis is to advance the field of Robot-Based Non-Planar Additive Manufacturing by enhancing parametric slicing techniques, developing robotic systems for non-planar manufacturing, and demonstrating industrial applications. The research introduces novel slicing algorithms tailored to non-planar geometries, which align deposition paths with the curvature of the build surface. This objective involves the slicing process and infill strategy between two homeomorphic workspaces interconnected through a bijective transformation. Through this transformation, planar slicing performed in one of the subspaces is converted into curved trajectories of high geometric complexity when the transformation is reversed. To demonstrate the practical viability of this methodology, a robotic cell prototype was designed and built, integrating advanced controllers, adaptable extrusion systems, and thermally stable build platforms. The prototype was validated through extensive testing, ensuring precision in trajectory execution and repeatability in non-planar manufacturing tasks. The system proved capable of maintaining stable layer alignment, even under challenging operational conditions. The second objective of the thesis is the development of a design for additive manufacturing methodology, specifically non-planar, to establish a workflow capable of producing parts suitable for fabrication using the robotic cell. To achieve this, a comprehensive library of origami devices is created, designed for 4D printing, which change shape after being printed on curved layers in response to the stimulus of a variation in one of their components. This case study not only enables the development of the design methodology but also demonstrates the wide range of possibilities that can be integrated into the non-planar additive manufacturing cell. The thesis also presents several case studies showcasing the potential of Robot-Based Non-Planar Additive Manufacturing across diverse industrial applications. For example, coronary stents were fabricated using non-planar deposition to achieve improved mechanical properties and precision. Origami-inspired robotic grippers were created by leveraging multi-material capabilities to integrate soft and rigid components seamlessly. An application is developed for texture mapping on complex surfaces using the custom-developed slicer. Additionally, forming dies optimized for mechanical performance were produced using customized slicing strategies, demonstrating the feasibility of non-planar techniques for industrial tooling. These examples highlight the ability of Robot-Based Non-Planar Additive Manufacturing to manufacture complex, high-performance components with reduced material waste and minimized post-processing. The main conclusions of the thesis results indicate that a solid slicing methodology has been developed that simplifies the task of generating complex trajectories for robotic additive manufacturing. Furthermore, the industrial implementation of this methodology has been successfully validated, and the material deposition error has been modeled through experiments. These experiments validate the downscaling of current systems that do not allow for robotic additive manufacturing at small scales. The thesis highlights the industrial applications of Robot-Based Non-Planar Additive Manufacturing, particularly in the production of high-precision components for industries such as aerospace, healthcare, and automotive. It emphasizes the need for automation in the design and slicing processes to enhance efficiency and broaden the adoption of this technology. By demonstrating Robot-Based Non-Planar Additive Manufacturing’s ability to improve design flexibility and manufacturing performance, this work paves the way for future advancements. It calls for continued innovation in robotic systems, material science, and computational tools to further expand the capabilities of non-planar additive manufacturing and make it viable for a wide range of industrial applications. RESUMEN La Fabricación Aditiva Robótica No Plana (FA-Rb-NP) explora los avances en la integración de la robótica con la fabricación aditiva, enfocándose en el desarrollo y la aplicación de metodologías de apilamiento de capas no planas. Este trabajo tiene como objetivo abordar las limitaciones de los procesos tradicionales de fabricación aditiva plana, tales como la baja calidad superficial, la dependencia de materiales de soporte y la flexibilidad de diseño limitada, al permitir la deposición de material a lo largo de trayectorias curvas. Además, el desarrollo de este método de fabricación aditiva plantea la necesidad de idear nuevas técnicas de diseño mecánico capaces de generar geometrías que cumplan con los requisitos específicos de este enfoque de fabricación. Al combinar metodologías no planas con sistemas robóticos de múltiples ejes, la investigación amplía las posibilidades de la fabricación aditiva en la producción de piezas estructuralmente optimizadas y geométricamente complejas. El objetivo principal de la tesis es avanzar en el campo de la FA-Rb-NP mediante la mejora de las técnicas de laminado paramétrico, el desarrollo de sistemas robóticos para fabricación no planar y la demostración de aplicaciones industriales. La investigación introduce nuevos algoritmos de laminado adaptados a geometrías no planas, que alinean las trayectorias de deposición con la curvatura de la superficie de construcción. Este objetivo involucra el proceso de laminado y la estrategia de relleno entre dos espacios de trabajo homeomórficos interconectados mediante una transformación biyectiva. A través de esta transformación, el laminado plano realizado en uno de los subespacios se convierte en trayectorias curvas de alta complejidad geométrica cuando se invierte la transformación. Para demostrar la viabilidad práctica de esta metodología, se diseñó y construyó un prototipo de célula robótica, integrando controladores avanzados, sistemas de extrusión adaptables y plataformas de construcción térmicamente estables. El prototipo fue validado a través de pruebas exhaustivas, asegurando la precisión en la ejecución de trayectorias y la repetibilidad en las tareas de fabricación no planar. El sistema demostró ser capaz de mantener una alineación estable de las capas, incluso bajo condiciones operativas complejas. El segundo objetivo de la tesis es el desarrollo de una metodología de diseño para fabricación aditiva, específicamente no planar, para establecer un flujo de trabajo capaz de producir piezas adecuadas para su fabricación utilizando la célula robótica. Para lograr esto, se creó una biblioteca completa de dispositivos origami, diseñados para impresión 4D, que cambian de forma después de ser impresos en capas curvas en respuesta al estímulo de una variación en uno de sus componentes. Este caso de estudio no solo permite el desarrollo de la metodología de diseño, sino que también demuestra la amplia gama de posibilidades que pueden integrarse en la célula de fabricación aditiva no plana. La tesis también presenta varios estudios de caso que muestran el potencial de la Fabricación Aditiva No Planar Basada en Robots en diversas aplicaciones industriales. Por ejemplo, se fabricaron stents coronarios utilizando deposición no plana para lograr propiedades mecánicas mejoradas y mayor precisión. Se crearon garfios robóticos inspirados en origami aprovechando las capacidades multimateriales para integrar componentes rígidos y blandos de manera perfecta. Se desarrolló una aplicación para el mapeo de texturas en superficies complejas utilizando el slicer desarrollado por nosotros. Además, se produjeron matrices de conformado optimizadas para el rendimiento mecánico mediante estrategias de laminado personalizadas, demostrando la viabilidad de las técnicas no planas para herramientas industriales. Estos ejemplos resaltan la capacidad de la Fabricación Aditiva No Planar Basada en Robots para fabricar componentes complejos y de alto rendimiento con reducción de desperdicios de material y minimización de postprocesos. Las principales conclusiones de los resultados de la tesis indican que se ha desarrollado una metodología de laminado sólida que simplifica la tarea de generar trayectorias complejas para la fabricación aditiva robótica. Además, se ha validado con éxito la implementación industrial de esta metodología y se ha modelado el error de deposición de material a través de ensayos. Estos ensayos validan la reducción de escala de los sistemas actuales que no permiten trabajar con fabricación aditiva robótica a pequeña escala. La tesis resalta las aplicaciones industriales de la Fabricación Aditiva No Planar Basada en Robots, particularmente en la producción de componentes de alta precisión para industrias como la aeroespacial, la salud y la automotriz. Se enfatiza la necesidad de automatizar los procesos de diseño y laminado para mejorar la eficiencia y ampliar la adopción de esta tecnología. Al demostrar la capacidad de la Fabricación Aditiva No Planar Basada en Robots para mejorar la flexibilidad de diseño y el rendimiento de fabricación, este trabajo abre el camino para futuros avances. Hace un llamado a la innovación continua en sistemas robóticos, ciencia de materiales y herramientas computacionales para expandir aún más las capacidades de la fabricación aditiva no planar y hacerla viable para una amplia gama de aplicaciones industriales.