Framework para otimização dos movimentos de reposicionamento em manufatura aditiva por extrusão de material

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Main Author: Weller, Tiago Rodrigues
Publication Date: 2019
Format: Doctoral thesis
Language: por
Source: Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT))
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Summary: Building time is an important issue in material extrusion-based additive manufacturing due to the deposition principle and because head repositionings are always required between deposition segments (contours and rasters). The time waste in head repositioning, usually referred to as non-productive time can be minimized by applying optimization algorithms. In this work, the problem of repositioning movements optimization is detailed in order to increase its understanding, thus proposing ways to reduce its computational complexity. From the understanding of the problem a framework was proposed as a method to structure, decompose and simplify its solution. The framework has been divided into four (4) main steps and is designed to be used with different optimization methods. The first step was designed with some innovative methods to reduce the problem size. Mixed integer linear programming (MILP) models and tabu search metaheuristics were implemented to test the proposed framework. Three cases of different complexities were analyzed and compared with a classic greedy algorithm and the nearest neighbor insertion algorithm with 2-opt. The results show that the framework was effective to deal with this problem and, especially for the analyzed cases, it was possible to reduce the repositioning distance considerably. The simplification of the problem for more complex cases still needs to be analyzed.
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spelling Framework para otimização dos movimentos de reposicionamento em manufatura aditiva por extrusão de materialA Framework for tool-path airtime optimization in material extrusion additive manufacturingImpressão tridimensionalCiclo de vida do produtoProdutos industrializadosProgramação linearPlásticos - ExtrusãoFramework (Programa de computador)HeurísticaOtimização combinatóriaThree-dimensional printingProduct life cicleManufacturesLinear programmingPlastics - ExtrusionFramework (Computer program)HeuristicCombinatorial optimizationCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::PROCESSOS DE FABRICACAOEngenharia MecânicaBuilding time is an important issue in material extrusion-based additive manufacturing due to the deposition principle and because head repositionings are always required between deposition segments (contours and rasters). The time waste in head repositioning, usually referred to as non-productive time can be minimized by applying optimization algorithms. In this work, the problem of repositioning movements optimization is detailed in order to increase its understanding, thus proposing ways to reduce its computational complexity. From the understanding of the problem a framework was proposed as a method to structure, decompose and simplify its solution. The framework has been divided into four (4) main steps and is designed to be used with different optimization methods. The first step was designed with some innovative methods to reduce the problem size. Mixed integer linear programming (MILP) models and tabu search metaheuristics were implemented to test the proposed framework. Three cases of different complexities were analyzed and compared with a classic greedy algorithm and the nearest neighbor insertion algorithm with 2-opt. The results show that the framework was effective to deal with this problem and, especially for the analyzed cases, it was possible to reduce the repositioning distance considerably. The simplification of the problem for more complex cases still needs to be analyzed.O tempo de fabricação é uma questão importante na manufatura aditiva baseada no princípio de extrusão de material, devido ao princípio de deposição e também a necessidade de um grande número de reposicionamento do cabeçote extrusor entre as trajetórias de deposição (contornos e trechos de rasters). O tempo gasto em reposicionamentos, geralmente chamado de tempo improdutivo, pode ser minimizado através da aplicação de algoritmos de otimização. Neste trabalho, o problema de otimização dos movimentos de reposicionamento é detalhado buscando aumentar o seu entendimento, propondo assim formas de reduzir sua complexidade computacional. A partir do entendimento do problema foi proposto um framework como método para estruturar, decompor e simplificar a sua solução. O framework foi dividido em quatro (4) etapas principais e foi idealizado de forma a permitir a aplicação de diferentes métodos de pesquisa operacional. A primeira etapa envolve alguns métodos inovadores para reduzir o tamanho do problema. Para testar o framework proposto as demais etapas foram implementadas, através de modelos de programação linear inteira mista (MILP) e metaheurísticas de busca tabu. Três casos de diferentes complexidades foram analisados e comparados com um algoritmo guloso clássico e um algoritmo de inserção do vizinho mais próximo com 2-opt. Os resultados mostraram que a estrutura foi eficaz em lidar com esse problema e, para os casos analisados, foi possível reduzir consideravelmente a distância de reposicionamento do cabeçote extrusor. A simplificação do problema para casos mais complexos ainda precisa ser analisada.Universidade Tecnológica Federal do ParanáCuritibaBrasilPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica e de MateriaisUTFPRVolpato, Nerihttp://lattes.cnpq.br/8414652619232683Rodrigues, Luiz Carlos de Abreuhttp://lattes.cnpq.br/2048224805097773Silva, Jorge Vicente Lopes dahttp://lattes.cnpq.br/6139204122148876Foggiatto, Jose Aguiomarhttp://lattes.cnpq.br/8013863352635494Magatão, Leandrohttps://orcid.org/0000-0002-6917-9753http://lattes.cnpq.br/4652695720103701Volpato, Nerihttp://lattes.cnpq.br/8414652619232683Siqueira, Paulo Henriquehttps://orcid.org/0000-0002-7498-0721http://lattes.cnpq.br/1288178739969745Weller, Tiago Rodrigues2020-03-12T18:03:27Z2020-03-12T18:03:27Z2019-11-29info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfWELLER, Tiago Rodrigues. Framework para otimização dos movimentos de reposicionamento em manufatura aditiva por extrusão de material. 2019. 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