Алгоритм планирования многомерных траекторий для слайсера 5D-принтера

Представлен алгоритм планирования многомерных траекторий для 5D-принтера. Метод направлен на решение проблем, возникающих при традиционной трехмерной (3D) печати. Стандартные методы 3D-печати с использованием послойного наплавления материала приводят к анизотропии механических свойств, в результате чего прочность изготавливаемого объекта зависит от направления нанесения слоев. Это ограничивает возможности для создания равнопрочных изделий сложной геометрии. Предлагаемый алгоритм позволит достичь равномерного распределения прочностных характеристик объекта за счет оптимизации траекторий печати. Метод. Алгоритм основан на построении траекторий с использованием сферических спиральных слоев. Предлагаемое решение учитывает изменяющиеся параметры печати, такие как высота слоя и толщина линии. Алгоритм адаптируется под различные геометрические формы объекта. Основной особенностью методики является обеспечение изотропии свойств изделия за счет равномерного распределения материала по траекториям. Также алгоритм включает построение нормалей в каждой точке кривой для точного задания направления движения печатающей головки. Используемый подход позволяет избежать стандартных ограничений, характерных для 3D-печати. Основные результаты. Алгоритм протестирован на моделях, имеющих простые и сложные геометрические формы с высоким уровнем кривизны. В ходе компьютерного моделирования проведены эксперименты с различными значениями высоты слоя и толщины линии. Результаты экспериментов позволили оценить влияние этих параметров. Алгоритм продемонстрировал высокую сходимость при разных значениях входных параметров, обеспечивая точное выполнение траекторий независимо от начальных условий. Была выполнена визуализация траекторий и нормалей, что подтвердило правильность направления печати и равномерное нанесение материала. Для удобства дальнейшей работы разработан промежуточный формат представления траекторий, который легко преобразуется в G-коды. Это позволяет подготовить данные для натурных экспериментов, которые будут проведены для оценки эффективности алгоритма в реальных условиях печати. Обсуждение. Алгоритм планирования многомерных траекторий открывает новые возможности для аддитивного производства и позволяет создавать сложные объекты с улучшенными механическими свойствами без необходимости в проектировании дополнительных конструктивных элементов для повышения прочности. Предложенный метод может найти применение в авиастроении, автомобилестроении и медицине, где важны как сложные геометрические формы, так и высокая прочность изделий.

1. Yigit I.E., Lazoglu I. Spherical slicing method and its application on robotic additive manufacturing // Progress in Additive Manufacturing. 2020. V. 5. N 4. P. 387–394. https://doi.org/10.1007/s40964-020-00135-5

2. Munasinghe N., Paul G. Radial slicing for helical-shaped advanced manufacturing applications // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2021. V. 112. N 3-4. P. 1089–1100. https://doi.org/10.1007/s00170-020-05999-z

3. Popov A.Y., Gushchin I.A., Drobotov A.V. Model preparation algorithm for 3D printing with discrete rotation // Proc. of the International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM). 2019. P. 1–5. https://doi.org/10.1109/ICIEAM.2019.8742958

4. Kaplan D., Rorberg S., Ben-Chen M., Sterman Y. NozMod: Nozzle Modification for efficient FDM 3D printing // Proc. of the 7th Annual ACM Symposium on Computational Fabrication. 2022. P. 1–9. https://doi.org/10.1145/3559400.3561999

5. Feng X., Cui B., Liu Y., Li L., Shi X., Zhang X. Curved-layered material extrusion modeling for thin-walled parts by a 5-axis machine // Rapid Prototyping Journal. 2021. V. 27. N 7. P. 1378–1387. https://doi.org/10.1108/RPJ-11-2020-0272

6. Insero F., Furlan V., Giberti H. Non-planar slicing for filled free-form geometries in robot-based FDM // Journal of Intelligent Manufacturing. 2023. in press. https://doi.org/10.1007/s10845-023-02250-w

7. Liu B., Feng J., Lin Z., Wu S., He Y., Fu J. Spherical path planning for multi axis support free additive manufacturing of truss structures // Journal of Manufacturing Processes. 2024. V. 109. P. 198–212. https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2023.12.011

8. Mitropoulou I., Bernhard M., Dillenburger B. Print paths key-framing: design for non-planar layered robotic FDM printing // Proc. of the 5th Annual ACM symposium on computational fabrication. 2020. P. 1–10. https://doi.org/10.1145/3424630.3425408

9. Hong F., Hodges S., Myant C., Boyle D. Open5x: Accessible 5-axis 3D printing and conformal slicing // Extended Abstracts of the 2022 CHI Conference on Human Factors in Computing Systems. 2022. P. 1–6. https://doi.org/10.1145/3491101.3519782

10. Hong F., Lampret B., Myant C., Hodges S., Boyle D. 5-axis multi-material 3D printing of curved electrical traces // Additive Manufacturing. 2023. V. 70. P. 103546. https://doi.org/10.1016/j.addma.2023.103546

11. Nayyeri P., Zareinia K., Bougherara H. Planar and nonplanar slicing algorithms for fused deposition modeling technology: A critical review // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2022. V. 119. N 5-6. P. 2785–2810. https://doi.org/10.1007/s00170-021-08347-x

12. Shan Y., Shui Y., Hua J., Mao H. Additive manufacturing of non-planar layers using isothermal surface slicing // Journal of Manufacturing Processes. 2023. V. 86. P. 326–335. https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2022.12.054

13. Neel T.L., Mesto T., Hascoet J.-Y. A novel slicing strategy for continuous printing with a helix 3D printer // Journal of Machine Engineering. 2022. V. 22. N 3. P. 31–43. http://dx.doi.org/10.36897/jme/151119

14. Tang J., Dong Y., Cai L., Zhu Q., Shi J. Conformal 3D printing algorithm for surfaces and its in situ repair applications // Micromachines. 2024. V. 15. N 7. P. 920. https://doi.org/10.3390/mi15070920

15. Nisja G.A., Cao A., Gao C. Short review of nonplanar fused deposition modeling printing // Material Design & Processing Communications. 2021. V. 3. N 4. P. e221. https://doi.org/10.1002/mdp2.221

16. Fortunato G.M., Nicoletta M., Batoni E., Vozzi G., De Maria C. A fully automatic non-planar slicing algorithm for the additive manufacturing of complex geometries // Additive Manufacturing. 2023. V. 69. P. 103541. https://doi.org/10.1016/j.addma.2023.103541

17. Srinivas G.L., Laux M., Nair V.P., Brandstotter M. Multi-axis additive manufacturing: development of slicer and toolpath for 2.5 D/3D/5D printing // Advances in Service and Industrial Robotics. 2024. V. 157. P. 337–346. https://doi.org/10.1007/978-3-031-59257-7_34

18. Алексеев А.А., Кирсанов А.Е., Шишов О.В. 3D-печать керамических изделий при использовании спиральной печати тела вращения с волнообразной поверхностью и эффектом «плетения» // Огарёв-Online. 2020. N. 15(152). С. 1–8.

19. Кирсанов А.Е., Шишов О.В. 3D-печать керамических изделий при использовании спиральной печати тела вращения с волнообразной поверхностью и эффектом «плетения» // Микроэлектроника и информатика — 2020. 27-я Всероссийская межвузовская конференция студентов и аспирантов: тезисы докладов. М.: МИЭТ, 2020. С. 147.

20. Козлова А.Д., Крауиньш П.Я. Синтез алгоритмов управления рабочим столом 5D-принтера с параллельной кинематикой // Форум молодых ученых. 2018. N 10 (26). С. 573–576.

21. Lebedev V.A., Solovjov V.P., Webb B.W. View factors of spherical, conic, and cylindrical spiral surfaces // Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 2021. V. 274. P. 107866. https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2021.107866

22. Hüttig C., Stemmer K. The spiral grid: A new approach to discretize the sphere and its application to mantle convection // Geochemistry, Geophysics, Geosystems. 2008. V. 9. N 2. P. Q02018. https://doi.org/10.1029/2007GC001581