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Tipo de documento: Tese
Tipo de acceso: Acesso Aberto
Título: An artificially intelligent space-filling trajectory planning for wire arc additive manufacturing
Título (s) alternativo (s): Um planejamento artificialmente inteligente de trajetórias por preenchimento de espaços para manufatura aditiva por deposição a arco (MADA)
Autor: Ferreira, Rafael Pereira
Primer orientador: Scotti, Américo
Primer miembro de la banca: Duarte, Marcus Antônio Viana
Segundo miembro de la banca: Fiocchi, Arthur Alves
Tercer miembro de la banca: Minetto, Rodrigo
Resumen: Esta tese explorou sistematicamente a implementação de uma estratégia de preenchimento de espaço para um planejamento de trajetória artificialmente inteligente para ser usado em na Manufatura Aditiva por Deposição a Arco (MADA) e investigou seus benefícios e desafios. A estratégia Pixel, como foco, foi proposta e desenvolvida como uma ferramenta informatizada inovadora e flexível no planejamento de trajetórias para geometrias complexas. O Pixel foi projetado para fornecer múltiplas trajetórias aplicáveis para impressões de peças e a subseqüente seleção de trajetória otimizada para cada caso. Para atingir esse objetivo, uma versão básica foi oferecida usando uma abordagem de preenchimento de espaço, formulando uma grade de nós e, simultaneamente, quatro heurísticas para conexões de nós. Avaliações computacionais demonstraram a eficácia da estratégia "Basic-Pixel" para várias geometrias de peças. Construções experimentais usando Gas Metal Arc (GMA) e aço comum ao carbono confirmaram a viabilidade prática desta versão básica, permitindo a deposição e construção de formas intrincadas, incluindo geometrias poligonais não convexas com furos. Para aumentar o desempenho do algoritmo, a estratégia "Enhanced-Pixel" foi introduzida, incorporando um novo método de classificação de nós e quatro heurísticas de planejamento de trajetória. Análises comparativas em estudos de caso específicos validaram a eficiência operacional e eficácia da versão "aprimorada" em comparação com estratégias convencionais aplicadas comercialmente. O estudo explorou ainda mais a seguinte a estratégia "Advanced-Pixel", utilizando técnicas de aprendizado por reforço (inteligência artificial) para otimizar a seleção de heurísticas de planejamento de trajetória e métodos de ordenação. Análises experimentais revelaram que a estratégia "Advanced-Pixel" supera a estratégia "Enhanced-Pixel" em termos de ganhos de desempenho e qualidade de resposta, demonstrando tempo de impressão e distância de trajetória reduzidos, principalmente para componentes maiores. Adicionalmente, o trabalho de tese investigou a estratégia "Fast-Pixel", aproveitando técnicas de agrupamento com "k-means" para reduzir a dimensionalidade do problema de otimização. A implementação da estratégia "Fast-Pixel" demonstrou desempenho aprimorado em todas as peças testadas, reduzindo significativamente o tempo computacional e melhorando a qualidade da resposta. Por fim, o texto da tese delineia direções futuras de pesquisa, incluindo a expansão para diferentes materiais, otimização da eficiência computacional, mitigação de não conformidades, exploração de estratégias híbridas e desenvolvimento de sistemas de monitoramento e controle de qualidade em tempo real. Em conclusão, o trabalho de pesquisa e desenvolvimento desta tese, ao apresentar a estratégia Pixel e suas melhorias, forneceu uma opção de planejamento de trajetória para MADA. As validações experimentais, avaliações computacionais e demonstrações práticas evidenciaram a eficácia e viabilidade das estratégias propostas. Esses desenvolvimentos de orientação científica têm implicações significativas para a produção eficiente e eficaz de peças complexas usando tecnologias de manufatura aditiva, abrindo caminho para novos avanços no campo.
Abstract: This thesis systematically explored the implementation of a Space-Filling strategy for an artificially intelligent trajectory planning to be used in Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) and investigated its benefits and challenges. The Pixel strategy, as the focus, was proposed and developed as an innovative and flexible computerized tool in trajectory planning for complex geometries. Pixel was intended to provide multiple applicable trajectories for part printings and the subsequent optimized trajectory selection for each case. To achieve this target, a basic version was offered using a space-filling approach, by formulating a grid of nodes, and, simultaneously, four heuristics for node connections. Computational evaluations demonstrated the effectiveness of the "Basic-Pixel" strategy for various part geometries. Experimental builds using Gas Metal Arc (GMA) and plain carbon steel confirmed the practical viability of this basic version, enabling the deposition and construction of intricate shapes, including polygonal nonconvex geometries with holes. To boost the algorithm's performance, the "Enhanced-Pixel" strategy was introduced, incorporating a new node sorting method and four trajectory planning heuristics. Comparative analyses in specific case studies validated the operational efficiency and effectiveness of the "enhanced" version compared to commercially applied conventional strategies. The study further explored the following "Advanced-Pixel" strategy, utilizing reinforcement learning techniques (artificial intelligence) to optimize the selection of trajectory planning heuristics and ordering methods. Experimental analyses revealed that the "Advanced-Pixel" strategy outperforms the "Enhanced-Pixel" strategy in terms of performance gains and response quality, demonstrating reduced printing time and trajectory distance, particularly for larger components. Additionally, the thesis work investigated the "Fast-Pixel" strategy, leveraging clustering techniques with "k-means" to reduce the dimensionality of the optimization problem. The "Fast-Pixel" strategy implementation demonstrated improved performance across all tested parts, significantly reducing computational time while improving response quality. At last, the thesis text outlines future research directions, including expanding to different materials, optimizing computational efficiency, mitigating non- conformities, exploring hybrid strategies, and developing real-time monitoring and quality control systems. In conclusion, the research and development work in this thesis, by introducing the Pixel strategy and its improvements, provided an option for trajectory planning in WAAM. The experimental validations, computational evaluations, and practical demonstrations highlighted the effectiveness and viability of the proposed strategies. These scientific-oriented developments have significant implications for the efficient and effective production of complex parts using additive manufacturing technologies, paving the way for further advancements in the field.
Palabras clave: Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM)
Manufatura Aditiva por Deposição a Arco (MADA)
Trajectory planning
Planejamento de trajetória
Space-Filling strategy
Estratégia de Preenchimento de Espaço
Travelling Salesman Problem
Problema do Caixeiro Viajante
Operational efficiency and effectiveness
Eficiência e efetividade operacional
Reinforcement learning
Aprendizado por reforço
Multi-Armed Bandit
Bandido Multi-armado
Clustering
Agrupamento
K-means
K-means
Área (s) del CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::PROCESSOS DE FABRICACAO::ROBOTIZACAO
Tema: Engenharia mecânica
Planejamento dos recursos de manufatura
Inteligência artificial
Análise dimensional
Idioma: eng
País: Brasil
Editora: Universidade Federal de Uberlândia
Programa: Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica
Cita: FERREIRA, Rafael Pereira. An Artificially Intelligent Space-Filling Trajectory Planning for Wire Arc Additive Manufacturing. 2023. 159 f. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2023. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.te.2023.431.
Identificador del documento: http://doi.org/10.14393/ufu.te.2023.431
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/38912
Fecha de defensa: 8-ago-2023
Aparece en las colecciones:TESE - Engenharia Mecânica

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