Product Model Creation and Simulation for Two-photon Polymerization Micro-manufacturing
Création et Simulation de Modèles de Produits pour leur Micro-fabrication par Polymérisation à Deux-photons
Résumé
Recently, the Two-Photon Polymerization (TPP) micro-manufacturing technology derived from two-photon absorption draws everyone's attention because of its fabrication capability of arbitrary-shaped and complex three dimensional (3D) microstructures. According to my observation of current researches, the trends have gradually changed from fabricating smallest possible features to expanding its application domains toward more effective topics such as increasing fabrication quality and/or efficiency. This thesis proposes a micro-product model creation and simulation scheme for TPP micro-manufacturing from Computer-Aided Design/Computer-Aided Manufacturing (CAD/CAM) points of view.
An analysis of TPP main features is performed to characterize its manufacturing capabilities. According to the analysis results and the incorporation of microstructure shape constraints and functional requirements, it is shown that the digital model of such objects should be able to describe non-manifold topological structure. Taking this requirement into account and pointing out the lacks of current practices, a non-manifold model preparation scheme is proposed for a product created at a design office. The CAD model imported from a STEP file is tessellated into several manifold polyhedral sub-domains forming a non-manifold polyhedron. Similarly, for an existing product, it can be reverse engineered to obtain its digital model. However, most of current approaches only reconstruct the object shape without its intrinsic colors. For this reason, an integrated scanning process is developed in this thesis in order to generate 3D colored models.
To avoid the destruction of the microstructure caused by over polymerization and the inconsistent voxel sizes originated by variations of light reflections, a two-dimensional slicing process and a dedicated trajectory path planning are developed with the aid of the 3D capabilities of the manufacturing equipment. Hence, the fabrication efficiency can be increased by applying the two processes above. In addition, to improve the microstructure stiffness, two methods developed through the concepts of welding and double contours are used to strengthen the connections between sub-domains and increase their wall thickness, respectively.
Finally, to demonstrate the efficiency of the proposed approach, several digital microstructures, including non-manifold ones, are fabricated according to the proposed model preparation and processing scheme.
An analysis of TPP main features is performed to characterize its manufacturing capabilities. According to the analysis results and the incorporation of microstructure shape constraints and functional requirements, it is shown that the digital model of such objects should be able to describe non-manifold topological structure. Taking this requirement into account and pointing out the lacks of current practices, a non-manifold model preparation scheme is proposed for a product created at a design office. The CAD model imported from a STEP file is tessellated into several manifold polyhedral sub-domains forming a non-manifold polyhedron. Similarly, for an existing product, it can be reverse engineered to obtain its digital model. However, most of current approaches only reconstruct the object shape without its intrinsic colors. For this reason, an integrated scanning process is developed in this thesis in order to generate 3D colored models.
To avoid the destruction of the microstructure caused by over polymerization and the inconsistent voxel sizes originated by variations of light reflections, a two-dimensional slicing process and a dedicated trajectory path planning are developed with the aid of the 3D capabilities of the manufacturing equipment. Hence, the fabrication efficiency can be increased by applying the two processes above. In addition, to improve the microstructure stiffness, two methods developed through the concepts of welding and double contours are used to strengthen the connections between sub-domains and increase their wall thickness, respectively.
Finally, to demonstrate the efficiency of the proposed approach, several digital microstructures, including non-manifold ones, are fabricated according to the proposed model preparation and processing scheme.
Récemment, la technologie de micro-fabrication par polymérisation à Deux-Photons (TPP), dérivée de l'absorption à deux-photons, a attiré l'attention de chacun en raison de ses possibilités de fabrication de microstructures tridimensionnelles (3D) de formes très diverses et complexes. Selon mon analyse des recherches actuelles, les thématiques ont graduellement évoluées depuis la fabrication de dispositifs aussi petits que possible vers des thèmes relatifs à son opérationnalité tels que la qualité et/ou l'efficacité du procédé de fabrication. Cette thèse propose une démarche d'intégration pour la création et la simulation de fabrication de modèles de micro-produits pour leur micro-fabrication TPP, tant du point de vue de la Conception Assistée par Ordinateur que de la Fabrication Assistée par Ordinateur (CAO/FAO).
Une analyse des caractéristiques principales de la TPP est proposée pour mettre en évidence ses capacités de fabrication. Selon les résultats de cette analyse et l'incorporation des contraintes de forme des microstructures et de leurs contraintes fonctionnelles, on montre que le modèle numérique de tels objets doit pouvoir décrire des objets de type « non-variété ». Par la prise en considération de cette contrainte et en comblant les manques des approches en vigueur, on propose une démarche intégrée de préparation de modèles « non-variétés » pour un produit créé par un bureau d'études. Le modèle CAO importé à partir d'un fichier STEP est facettisé selon les variétés des sous-domaines polyédriques formant le polyèdre de type « non-variété ». De manière similaire, pour un produit existant, son modèle numérique peut être obtenu par une approche de type ingénierie inverse. Cependant, la plupart des approches existantes reconstruisent seulement les formes des objets sans tenir compte de leurs couleurs intrinsèques. Pour cette raison, un processus intégré de numérisation est développé dans cette thèse afin de produire des modèles 3D colorés.
Afin d'éviter la destruction de la microstructure causée par une « sur-polymérisation » et des tailles de voxels incohérentes provoqués par des différences de réflexion de la lumière, un processus de découpage en tranches bidimensionnelles et une planification adaptée des trajectoires sont développés en utilisant les possibilités 3D de l'équipement de fabrication. Ainsi, l'efficacité du procédé de fabrication peut être augmentée par la mise en œuvre des deux processus ci-dessus. De plus, pour améliorer la rigidité de la microstructure, deux méthodes ont été développées à partir des concepts de soudure et de double épaisseur pour renforcer les raccordements entre les domaines élémentaires de la microstructure et augmenter son épaisseur de paroi, respectivement.
En conclusion, pour démontrer l'efficacité de l'approche proposée, plusieurs modèles numériques de microstructures incluant des modèles « non-variétés » ont été fabriqués selon la démarche de préparation de modèles et le schéma d'intégration proposés.
Une analyse des caractéristiques principales de la TPP est proposée pour mettre en évidence ses capacités de fabrication. Selon les résultats de cette analyse et l'incorporation des contraintes de forme des microstructures et de leurs contraintes fonctionnelles, on montre que le modèle numérique de tels objets doit pouvoir décrire des objets de type « non-variété ». Par la prise en considération de cette contrainte et en comblant les manques des approches en vigueur, on propose une démarche intégrée de préparation de modèles « non-variétés » pour un produit créé par un bureau d'études. Le modèle CAO importé à partir d'un fichier STEP est facettisé selon les variétés des sous-domaines polyédriques formant le polyèdre de type « non-variété ». De manière similaire, pour un produit existant, son modèle numérique peut être obtenu par une approche de type ingénierie inverse. Cependant, la plupart des approches existantes reconstruisent seulement les formes des objets sans tenir compte de leurs couleurs intrinsèques. Pour cette raison, un processus intégré de numérisation est développé dans cette thèse afin de produire des modèles 3D colorés.
Afin d'éviter la destruction de la microstructure causée par une « sur-polymérisation » et des tailles de voxels incohérentes provoqués par des différences de réflexion de la lumière, un processus de découpage en tranches bidimensionnelles et une planification adaptée des trajectoires sont développés en utilisant les possibilités 3D de l'équipement de fabrication. Ainsi, l'efficacité du procédé de fabrication peut être augmentée par la mise en œuvre des deux processus ci-dessus. De plus, pour améliorer la rigidité de la microstructure, deux méthodes ont été développées à partir des concepts de soudure et de double épaisseur pour renforcer les raccordements entre les domaines élémentaires de la microstructure et augmenter son épaisseur de paroi, respectivement.
En conclusion, pour démontrer l'efficacité de l'approche proposée, plusieurs modèles numériques de microstructures incluant des modèles « non-variétés » ont été fabriqués selon la démarche de préparation de modèles et le schéma d'intégration proposés.
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