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Título: Geometry processing algorithms for robot-based additive manufacturing
Título(s) alternativo(s): Algoritmos de processamento da geometria para fabricação aditiva baseada em robô
Autor(es): Lettori, Jacopo
Orientador(es): Borsato, Milton
Palavras-chave: Manufatura aditiva
Processos de fabricação
Robôs - Sistemas de controle
Planejamento de produção
Sistemas CAD/CAM
Algorítmos - Desenvolvimento
Additive manufacturing
Manufacturing processes
Robots - Control systems
Production planning
CAD/CAM systems
Algorithms - Development
Data do documento: 20-Fev-2024
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Curitiba
Citação: LETTORI, Jacopo. Geometry processing algorithms for robot-based additive manufacturing. 2024. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica e de Materiais) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2024.
Resumo: A manufatura aditiva baseada em robô (RBAM) é uma tecnologia de manufatura aditiva (AM) que combina uma tocha de solda, um bico de pó ou uma extrusora com manipuladores robóticos. A RBAM está surgindo como uma solução para aumentar a flexibilidade de fabricação e o volume de construção dos dispositivos de impressão cartesianos padrão. De fato, diferentemente das impressoras de 3 graus de liberdade, o material pode ser depositado em várias direções (deposição multiaxial) graças à destreza dos robôs. Assim, é possível evitar a necessidade de estruturas de suporte e, ao mesmo tempo, aumentar o volume de construção. Além disso, é possível fabricar camadas não uniformes em que a espessura não é constante. Além disso, camadas não planas podem ser realizadas, seguindo a curvatura da superfície para aumentar o acabamento da superfície e as propriedades mecânicas. Por fim, o planejamento de caminho não uniforme pode ser implementado, adaptando o preenchimento de acordo com o formato da camada. Nesse contexto, o planejamento do processo para RBAM torna-se um aspecto de importância primordial. O planejamento do processo é definido como todas as etapas de processamento de geometria envolvidas na vinculação da geometria CAD 3D com o estágio de fabricação, até a geração e a validação em ambientes de software virtuais das instruções para controlar o caminho de um robô. Em particular, a deposição multiaxial, as estratégias de corte e as etapas de planejamento de caminho devem ser implementadas adequadamente para obter resultados satisfatórios, evitando falhas de impressão. Assim, este trabalho apresenta uma estrutura para o planejamento de processos RBAM, cujo principal objetivo é explorar as possibilidades que a tecnologia RBAM oferece. São apresentadas abordagens para cada etapa da estrutura, propondo soluções para aproveitar a flexibilidade da RBAM. Primeiro, foram desenvolvidos algoritmos de deposição de volume multiaxial e de corte planar uniforme com preenchimento de camadas. Em seguida, foram definidas abordagens de corte cilíndrico e planar não uniforme. O último algoritmo refere-se a um método de corte não plano. Esses algoritmos foram desenvolvidos e testados usando o Rhinoceros®, o Grasshopper® e o RoboDK®. Esses procedimentos são etapas cruciais para a implementação completa do planejamento do processo RBAM. Por fim, foram realizados experimentos com a tecnologia de manufatura aditiva de arco de arame, propondo um procedimento para analisar a geometria do cordão e extrair parâmetros para os algoritmos propostos.
Abstract: Robot-Based Additive Manufacturing (RBAM) is an Additive Manufacturing (AM) technology that combines a welding torch, a powder nozzle, or an extruder with robotic manipulators. RBAM is emerging as a solution to increase manufacturing flexibility and the build volume of standard Cartesian printing devices. Indeed, different from 3 degrees of freedom printers, the material can be deposited in multiple directions (multiaxial deposition) thanks to the dexterity of robots. So, it is possible to avoid the need for support structures while increasing the build volume. Also, it is possible to manufacture non-uniform layers where the thickness is not constant. Furthermore, non-planar layers can be realized, following the surface curvature to increase the surface finish and mechanical properties. Finally, non-uniform path planning can be implemented, adapting the infill according to layer shape. In this context, the process planning for RBAM becomes an aspect of primary importance. Process planning is defined as all the geometry processing steps involved in linking the 3D CAD geometry with the manufacturing stage, until the generation and the validation in virtual software environments of the instructions to control the path of a robot. In particular, multiaxial deposition, slicing strategies, and path planning steps must be appropriately implemented to obtain satisfactory outputs, avoiding printing failures. So, this work presents a framework for RBAM process planning, whose main goal is to exploit the possibilities that RBAM technology offers. Approaches for each step of the framework are presented, proposing solutions to take advantage of the flexibility of RBAM. First, a multiaxial volume deposition and a uniform planar slicing with layer infill algorithms have been developed. Then, non-uniform planar and cylindrical slicing approaches have been defined. The last algorithm regards a non-planar slicing method. These algorithms have been developed and tested using Rhinoceros®, Grasshopper® and RoboDK®. These procedures are crucial steps to fully implement the RBAM process planning. Finally, experiments were performed with wire arc additive manufacturing technology, proposing a procedure to analyze the bead geometry and extract parameters for the proposed algorithms.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/33908
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