Η εκπαίδευση στον καινοτομικό σχεδιασμό μηχανολογικών προϊόντων στο ΕΜΠ

Στη Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου (ΕΜΠ) διδάσκεται εδώ και μια δεκαετία το μάθημα του Καινοτομικού Σχεδιασμού Μηχανολογικών Προϊόντων. Ομάδες φοιτητών σχεδιάζουν καινοτομικά προϊόντα, με βάση ιδέες που συλλαμβάνουν οι ίδιοι και αναπτύσσουν μέχρι το τελικό πρωτότυπο.

 

Γράφει ο κ. Γ.Χ. Βοσνιάκος*

 

Η βιομηχανική παραγωγή μηχανολογικών προϊόντων στην Ελλάδα, κατά κοινή παραδοχή, κινείται ακόμη στο επίπεδο των εξαρτημάτων ή το πολύ υπο-συναρμολογημάτων, κατά παραγγελία εταιρειών κυρίως του εξωτερικού (πρακτική γνωστή και ως «φασόν»). Λείπει η κουλτούρα του σχεδιασμού βιομηχανικού προϊόντος και μάλιστα του καινοτομικού σχεδιασμού, δεδομένου ότι μόνο μέσα από την καινοτομία μπορεί να ξεχωρίσει το προϊόν στο διεθνή ανταγωνισμό.

Σημαντικό ρόλο σε αυτό το έλλειμμα έχει η τριτοβάθμια εκπαίδευση των μηχανικών, η οποία παρέχει εξαιρετικές γνώσεις και δεξιότητες ανάλυσης και μελέτης του «μέρους», αλλά αγνοεί ουσιαστικά τη σύνθεση του «όλου».

Για την αντιμετώπιση του ελλείμματος, στη Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου (ΕΜΠ) διδάσκεται εδώ και μια δεκαετία το μάθημα του Καινοτομικού Σχεδιασμού Μηχανολογικών Προϊόντων.

Ομάδες φοιτητών σχεδιάζουν καινοτομικά προϊόντα, με βάση ιδέες που συλλαμβάνουν οι ίδιοι και αναπτύσσουν μέχρι το τελικό πρωτότυπο. Γενικότερη εποπτεία από πλευράς εργονομίας και conceptual design έχει ο επίκουρος καθηγητής Δ. Ναθαναήλ, ενώ από τεχνικής πλευράς, ανάλυσης και κατασκευής πρωτοτύπου την εποπτεία έχει ο καθηγητής Γ. Βοσνιάκος. Καθοδήγηση σε ειδικά τεχνικά θέματα στο βαθμό που απαιτείται παρέχουν εν δυνάμει όλοι οι καθηγητές της Σχολής. Παράλληλα, οι ομάδες εκπαιδεύονται στο πρότζεκτ μάνατζμεντ στην πράξη.

Παρακάτω παρουσιάζονται πέντε από τα πρόσφατα πρότζεκτ που καλύπτουν αντικείμενα ενέργειας, κατασκευών, αυτοματισμού και μεταφορών (logistics).

 

Ι) Εναλλάκτης ανάκτησης θερμότητας από πλυντήρια πιάτων (Ν. Γεωργούσης, Π. Λύκας)

Περίπου το 1/4 της παγκόσμιας ενεργειακής ζήτησης οφείλεται στην οικιακή κατανάλωση. Η θερμότητα που παράγεται σε συσκευές όπως είναι τα πλυντήρια συνήθως απορρίπτεται (waste heat), αλλά ένα μέρος αυτής μπορεί να ανακτηθεί. Τα πλυντήρια πιάτων θερμαίνουν το νερό μέσω ηλεκτρικής ενέργειας σε θερμοκρασία έως και 80 – 90οC, και το απορρίπτουν σε θερμοκρασία έως και 60 – 65οC. Αυτό το ποσό θερμότητας μπορεί να αξιοποιηθεί για την προθέρμανση του εισερχόμενου νερού και την εξοικονόμηση ηλεκτρικής ενέργειας.

Καταρχήν σχεδιάστηκε μεταλλικός εναλλάκτης που αποτελείται από συστοιχίες σωλήνων χαλκού (από τις οποίες διέρχεται το ψυχρό νερό του δικτύου) και από πτερύγια από αλουμινίου. Η όλη διάταξη βρίσκεται εντός ενός δοχείου όπου εισέρχεται το θερμό νερό που απορρίπτεται. Πέραν της ανάκτησης θερμότητας, η καινοτομία του πρότζεκτ είναι η αντικατάσταση του μεταλλικού από ολόσωμο πλαστικό εναλλάκτη, τύπου «διασταυρούμενης ροής χωρίς ανάμειξη των ρευστών», που μπορεί να κατασκευάζεται σε 3D εκτυπωτή.

Για αύξηση της θερμικής αγωγιμότητας, το υλικό που χρησιμοποιείται είναι PLA με διασπορά μεταλλικών ρινισμάτων (αγωγιμότητα 100 W/mK). Για μεγαλύτερη αποτελεσματικότητα σε σχέση με τον μεταλλικό, οι σωλήνες του πλαστικού εναλλάκτη έχουν μορφή σπείρας (βλ. εικόνα 1). Στο κέντρο υπάρχει πυρήνας που αποσκοπεί στην πλήρη κάλυψη του εναλλάκτη από το θερμό νερό (βλ. εικόνα 2).

Η ροή του ψυχρού ρευστού συναντά απότομες αλλαγές διεύθυνσης μόνο στην είσοδο και έξοδο, γεγονός που εισάγει μικρές απώλειες πίεσης. Τέλος, μελετήθηκε η ετήσια οικονομική συμπεριφορά για κάθε πρόγραμμα πλύσης (eco, quick, intense) και συνολικά. Η εξοικονόμηση που επιτυγχάνεται είναι 25,60 ευρώ ανά έτος, έναντι 30,66 ευρώ ανά έτος του μεταλλικού εναλλάκτη (οικονομική απόδοση αντίστοιχα 33,7% και 40,2%).

Για την κατασκευή του πλαστικού εναλλάκτη απαιτείται εκτυπωτής διαδρομής Ζ άνω των 400mm, αλλά μέσης ακρίβειας και τιμής. Συνεπώς, αυτός είναι πολύ ελαφρύτερος, εύκολα κατασκευάσιμος εκτός βιομηχανικού περιβάλλοντος, και έχει παραπλήσια απόδοση με τον μεταλλικό εναλλάκτη.

 

ΙΙ) Οδοντωτοί τροχοί βελτιστοποιημένης κατατομής για μειωμένη φθορά (Π. Κορωναίος, Μ. Σκιαδόπουλος)

Οι οδοντωτοί τροχοί υφίστανται φθορά λόγω κόπωσης κατά τη λειτουργία τους, η οποία οδηγεί στη δημιουργία εκκοιλάνσεων. Το πρότζεκτ επικεντρώνεται στη βελτιστοποίηση της κατατομής των οδόντων προκειμένου να ελαττωθεί η επιφανειακή πίεση σε αυτούς. Έως τώρα, διαδεδομένες επιλογές είναι οι οδοντωτοί τροχοί εξειλιγμένης καμπύλης, καμπύλης ημιτονοειδούς κανόνα αλλά και οι S-τροχοί. Η αναπτυσσόμενη τάση επαφής κατά Hertz εξαρτάται άμεσα από την καμπυλότητα των σωμάτων που έρχονται σε επαφή, εν προκειμένω των οδόντων.

Επομένως, η βελτιστοποίηση της καμπυλότητας της κατατομής τους κρίθηκε ουσιώδης για τη μείωση της επιφανειακής κόπωσης, τηρώντας όμως τα βασικά κριτήρια λειτουργικότητας: ικανοποίηση του βασικού νόμου των οδοντώσεων, με βαθμό επικάλυψης μεγαλύτερο ή ίσο της μονάδας, και συμβατότητα βήματος. Η μοντελοποίηση και βελτιστοποίηση της κατατομής των οδόντων έγινε σε περιβάλλον Matlab/Simulink.

Ειδικότερα, χρησιμοποιήθηκαν καμπύλες B-Splines των οποίων τα σημεία ελέγχου –που μοντελοποιούσαν τον κανόνα του τροχού– εισήχθησαν σε γενετικό αλγόριθμο ως μεταβλητές σχεδιασμού, με στόχο την αύξηση της ισοδύναμης ακτίνας καμπυλότητας των κατατομών (βλ. εικόνα 3). Προκειμένου να πιστοποιηθεί η αντοχή των βελτιστοποιημένων οδόντων έγινε η μοντελοποίηση της επαφής τους με πεπερασμένα στοιχεία (βλ. εικόνα 4).

Με τους οδόντες βελτιστοποιημένης κατατομής και τη μείωση της πίεσης επιφανείας διευκολύνεται η χρήση και άλλων υλικών πέραν των χαλύβων, όπως π.χ. κεραμικών υλικών, που ενώ δεν παρουσιάζουν καλή συμπεριφορά σε καταπόνηση από πίεση επιφανείας, είναι ιδιαίτερα ανθεκτικά σε θλιπτικές και θερμικές καταπονήσεις.

Επιπλέον, η μειωμένη πίεση επιφανείας οδηγεί σε βελτιωμένη λίπανση, διότι υψηλές πιέσεις προκαλούν εξώθηση του λιπαντικού (squish flow) αλλά και αυξάνουν τη θερμοκρασία, με αποτέλεσμα ανεπιθύμητη μεταβολή του ιξώδους του λιπαντικού. Με τους βελτιστοποιημένους οδόντες διευκολύνεται η χρήση απλούστερων λιπαντικών –ακόμα και νερού σε ναυπηγικές εφαρμογές με κεραμικά υλικά.

 

 

ΙΙΙ) Καινοτόμος αυτόνομη ιατρική αντλία (Ρ. Γκιοβές, Ε. Ζάχος, Σ. Σπυριδάκης)

Για την ομαλή διαβίωση ασθενών με ανάγκες συνεχούς χορήγησης φαρμάκου απαιτούνται αντλίες με αυτόνομη τροφοδοσία. Διαφορετικά, ο ασθενής είναι καθηλωμένος κατά τη διάρκεια της έγχυσης φαρμάκου, που μπορεί να είναι αναγκαία αρκετές φορές την εβδομάδα. Οι ιατρικές αντλίες (περισταλτικές ως επί το πλείστον) κατασκευάζονται για συγκεκριμένη διάμετρο σωλήνα –κάτι που περιορίζει τη χρήση τους σε συγκεκριμένες εφαρμογές– και φθείρονται σε μικρό χρονικό διάστημα. Στις συνήθεις περισταλτικές αντλίες ένας εύκαμπτος σωλήνας από ιατρική σιλικόνη συμπιέζεται διαδοχικά, προκειμένου το διάλυμα φαρμάκου να μετατοπιστεί μεν, αλλά με μη ομαλή παροχή, που συχνά είναι ανεπιθύμητο.

Στο πρότζεκτ σχεδιάστηκε τροποποιημένη περισταλτική αντλία με σταθερή παροχή, μεγάλη διάρκεια ζωής και ευελιξία για διαφορετικές περιπτώσεις φαρμακευτικής περίθαλψης (βλ. εικόνα 5). Σε αυτή είναι εύκολη η αλλαγή σωλήνα, με μετακίνηση ενός συρτού μέρους. Ένας κατάλληλα σχεδιασμένος ρότορας κινεί 7 διαδοχικά τοποθετημένα έμβολα, ώστε να επιτυγχάνεται η μείωση του βήματος παροχής (βλ. εικόνα 6).

Είναι δυνατή η υποδοχή του πλέον συνήθους εύρους διαμέτρων σωλήνων σιλικόνης (4mm-8mm), με κατάλληλη τοποθέτηση εύκαμπτου υλικού στο τοίχωμα συμπίεσης. Τροφοδοτείται από 3 επαναφορτιζόμενες 3000 mAh η καθεμία, για πολύωρη αυτονομία. Η διεπαφή χρήστη είναι οθόνη αφής, με απλό μενού λειτουργίας, ώστε να ελαχιστοποιηθούν τα σφάλματα του χειριστή. Υπολογίστηκε κόστος υλικών και κατασκευής 65 ευρώ.

 

  1. IV) Επενεργητής αδρανειακών δυνάμεων για προσομοιωτές αγωνιστικών αυτοκινήτων (Θ. Ζαχαρέλης, A.M. Alonso Ojeda)

Οι προσομoιωτές αγωνιστικής οδήγησης είναι ιδιαίτερα διαδεδομένοι, τόσο σε επαγγελματικό (F1, Formula-Ε) και ημιεπαγγελματικό (GT3, GT4) επίπεδο όσο και σε ερασιτεχνικό επίπεδο. Στους προσομοιωτές που υπάρχουν σήμερα, η δυναμική του οχήματος μοντελοποιείται με εξαιρετική ακρίβεια, και τα εξαρτήματα είναι άριστης ποιότητας. Χρησιμοποιούνται επίσης «ενεργά» τιμόνια (ώστε ο οδηγός να νιώθει τη ροπή στο στρίψιμο), πετάλια με υδραυλικό σύστημα (που κάνουν το φρενάρισμα όμοιο με αυτό της πραγματικής οδήγησης), καθώς και πλατφόρμες 6-DOF (που προσομοιώνουν την κλίση και τον προσανατολισμό του οχήματος). Όμως, δεν είναι δυνατή η έκθεση του οδηγού σε δυνάμεις αντίστοιχες με αυτές που προκαλούνται από την επιτάχυνση του οχήματος.

Το πρότζεκτ εστιάζει στην ανάπτυξη ενός συστήματος που ασκεί στον οδηγό δυνάμεις εξαιτίας πλευρικής επιτάχυνσης του οχήματος σε πραγματικό χρόνο, κατά τη διάρκεια της προσομοίωσης. Για να επιτευχθεί ο στόχος χρησιμοποιείται ηλεκτρικό μοτέρ, το οποίο ελέγχεται με μικροεπεξεργαστή Arduino και αντίστοιχο λογισμικό, που βασίζεται στη συλλογή δεδομένων επιτάχυνσης από την ίδια την πλατφόρμα προσομοίωσης και την μετέπειτα επεξεργασία τους σε πραγματικό χρόνο. Έτσι, δίνεται εντολή κίνησης (ροπής) στο μοτέρ, που μεταφράζεται σε δύναμη που ασκείται μέσω συρματόσχοινων από την ανέμη του μοτέρ στο κράνος του οδηγού (βλ. εικόνα 7).

Η δύναμη διαφέρει ανάλογα με το επίπεδο του οδηγού (αρχάριου, ενδιάμεσου, έμπειρου) και τα σωματικά του χαρακτηριστικά (φύλο, βάρος). Επιπλέον, περιλαμβάνεται πρόγραμμα καταγραφής και ανάλυσης δεδομένων, τόσο για τον έλεγχο του συστήματος (σύγκριση στόχου και προκύπτουσας ροπής και απόκρισης) όσο και για τον ίδιο τον οδηγό, όσον αφορά την αντίσταση που καταβάλλει και την επίπτωση που έχει αφενός το σύστημα στη σωματική του ετοιμότητα και αφετέρου η πιθανή κούραση στην απόδοσή του.

Επαγγελματίες οδηγοί δοκίμασαν το σύστημα και έμειναν ευχαριστημένοι, κάνοντας πολύτιμα σχόλια (βλ. εικόνα 8). Επέκταση του συστήματος απαιτεί ενσωμάτωση και των υπόλοιπων μερών του σώματος, καθώς και της διαμήκους επιτάχυνσης, βελτιστοποίηση της απόκρισης και αυξημένη προσαρμοστικότητα σε κάθε οδηγό χωρίς χρονοβόρες ρυθμίσεις.

 

  1. V) Έξυπνοι κάδοι αποκομιδής απορριμμάτων (Α. Βοζικιάν, Φ. Παπαδόπουλος, Μ. Χρήστου)

Η βελτίωση του βιοτικού επιπέδου, σε συνδυασμό με την τάση του ανθρώπου να καταναλώνει ολοένα και περισσότερο, έχουν οδηγήσει στην αύξηση των αστικών στερεών αποβλήτων με τεράστιο κόστος αποκομιδής. Την τελευταία δεκαετία έλαβε χώρα πλήθος προσπαθειών για κατασκευή έξυπνων κάδων, οι οποίοι θα μπορούν να προσδιορίσουν το ποσοστό πλήρωσής τους και στη συνέχεια, μέσω του Διαδικτύου των Πραγμάτων (IoT), θα αποστέλλουν τα δεδομένα σε διαδικτυακές πλατφόρμες για αποθήκευση και επεξεργασία.

Οι υφιστάμενες λύσεις (σύστημα EasyBin, Σύστημα Recytrust, κάδοι SolarBin, Vodafone Smart Bins Management, EcoMobile SmartWaste) χρησιμοποιούν τεχνολογία GPS προκειμένου να υπάρχει η δυνατότητα γεωγραφικού εντοπισμού των κάδων, ενώ για τη μεταφορά δεδομένων χρησιμοποιούν δίκτυα 2G, 3G, 4G ή WiFi. Οι τεχνολογίες αυτές όμως παρουσιάζουν υψηλή κατανάλωση ενέργειας, η οποία μεταξύ άλλων απαγορεύει τον εγκλεισμό τους σε προστατευτικά περιβλήματα.

Το πρότζεκτ επιδίωξε δημιουργία ενός ολοκληρωμένου («end to end») συστήματος έξυπνης διαχείρισης των απορριμμάτων (βλ. εικόνα 9). Αισθητήρες απόστασης υπερήχων εγκλεισμένοι σε κατάλληλο περίβλημα προστασίας (βλ. εικόνα 10) τοποθετούνται στους ήδη υπάρχοντες συμβατικούς κάδους, μετατρέποντάς τους σε έξυπνους. Τα δεδομένα που λαμβάνονται από τη μέτρηση της στάθμης του κάθε κάδου αποστέλλονται σε ειδικά προσαρμοσμένη διαδικτυακή πλατφόρμα, όπου αξιοποιούνται ώστε να δημιουργούνται βέλτιστα δρομολόγια απορριμματοφόρων και να εξάγονται στατιστικά στοιχεία με σκοπό τη ρύθμιση των παραμέτρων του συστήματος διαχείρισης απορριμμάτων κάθε Δήμου (όπως είναι π.χ. η απαιτούμενη συχνότητα δρομολογίων, ο απαιτούμενος αριθμός κάδων και η βέλτιστη χωροθέτηση των κάδων).

Βασική καινοτομία αποτελεί η χρήση αυτόνομων δικτύων χαμηλής ισχύος και μεγάλης εμβέλειας LPWAN, μέσω των οποίων επιτυγχάνεται ταυτόχρονα τόσο η μετάδοση των δεδομένων πληρότητας των κάδων όσο και ο γεωγραφικός εντοπισμός τους. Το εύρος μετάδοσης των δικτύων LPWAN υπερβαίνει τα 5km, ενώ η ενεργειακή αυτονομία του συστήματος φτάνει τα 10 έτη. Η συσκευή παρουσιάζει εύκολη συνδεσμολογία, ελάχιστο λειτουργικό κόστος και χαμηλό κόστος κατασκευής. Επιπλέον, η αγορά σταθμών βάσης (κεραιών) και η τοποθέτησή τους σε υψηλά σημεία εξασφαλίζει εξυπηρέτηση όλων των συσκευών (κάδων) ενός Δήμου.

 

 

*Ο κ. Γ.Χ. Βοσνιάκος είναι καθηγητής στη Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών, στο Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο.

Ελέγξτε επίσης

Είδη αεροσυμπιεστών και εφαρμογές

Άρθρο του κ. Παντελεήμονα Τζουγανάκη* Από την αρχαιότητα, σε εφαρμογές όπως είναι η μεταλλουργία, ήταν …