2023, випуск 3, c. 5-15
Одержано 01.09.2023; Виправлено 20.09.2023; Прийнято 26.09.2023
Надруковано 29.09.2023; Вперше Online 19.10.2023
https://doi.org/10.34229/2707-451X.23.3.1
Попередня | ПОВНИЙ ТЕКСТ | Наступна
Оптимізація пакування тривимірних об'єктів обмежених сферичними та конічними поверхнями
А.М. Чугай 1, 2 
, Т.Є. Романова 1, 3 * , Г.М. Яськов 1 , М.І. Гіль 1 , С.Б. Шеховцов 1
1 Інститут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України, Харків
2 Харківський національний eкономічний університет ім. Семена Кузнеця
3 Харківський національний університет радіоелектроніки
* Листування: Тетяна Романова, Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.
Вступ. Оптимізація пакування довільних геометричних об’єктів у адитивному виробництві відкриває нові можливості для підвищення ефективності адитивного виробництва деталей складної конфігурації завдяки економії енергетичних, матеріальних та часових ресурсів. На сьогоднішній день адитивне виробництво широко використовують у таких галузях як космічна інженерія, медицина, машинобудування, енергетика. Через це актуальним питанням є оптимізація технологічного процесу 3D-друку.
Мета роботи. Стаття присвячена розробці підходу, який забезпечує ефективне розміщення складених деталей у робочій зоні 3D принтера з урахуванням їх складної геометрії та обмежень, що обумовлені стандартами технології 3D-друку.
Результати. Для аналітичного опису форми складних промислових виробів у роботі використовується “складений сферичний конус”, який породжує сім`ю таких об’єктів, як сферичні циліндри, сферичні конуси, усічені конуси, кулі, циліндри, сферичні диски. Використовуючи нормалізовану квазі phi-функцію двох складених сферичних конусів, побудовано математичну модель задачі у вигляді задачі нелінійного програмування. Це надало можливість використовувати сучасні методи оптимізації на всіх етапах розв’язання задачі. Запропоновано алгоритм генерації допустимих стартових точок, метод пошуку локальних екстремумів та їх перебору. Наведено числові приклади пакування різних промислових виробів у камері 3D принтера. 3D-деталі апроксимуються складеними сферичними конусами з різними метричними характеристиками.
Висновки. Проведене числове моделювання підтверджує ефективність запропонованого підходу. В цілому, робота підкреслює важливість подальших досліджень та інновацій у сфері 3D-друку та його оптимізації, а також демонструє потенціал використання математичних моделей для розв'язання практичних задач, що виникають у виробничому процесі.
Ключові слова: пакування, складений сферичний конус, математичне моделювання, оптимізація, адитивне виробництво.
Цитувати так: Чугай А.М., Романова Т.Є., Яськов Г.М., Гіль М.І., Шеховцов С.Б. Оптимізація пакування тривимірних об'єктів обмежених сферичними та конічними поверхнями. Cybernetics and Computer Technologies. 2023. 3. С. 5–15. https://doi.org/10.34229/2707-451X.23.3.1
1. Srivastava M., Rathee S. Additive manufacturing: recent trends, applications and future outlooks. Prog Addit, Manuf 2022. 7. P. 261–287. https://doi.org/10.1007/ s40964-021-00229-8
2. Ehlers T., Meyer I., Oel M., Bode B., Gembarski P.C., Lachmayer R. Effect-Engineering by Additive Manufacturing. In: Lachmayer, R., Bode, B., Kaierle, S. (eds) Innovative Product Development by Additive Manufacturing 2021. Springer, Cham. 2023. https://doi.org/10.1007/978-3-031-05918-6_1
3. Kaikai X., Yadong G., Qiang Z. Comparison of traditional processing and additive manufacturing technologies in various performance aspects: a review. Archiv.Civ.Mech.Eng. 2023. 23. P. 188. https://doi.org/10.1007/s43452-023-00699-3
4. Kadir A.Z.A., Yusof Y., Wahab M.S. Additive manufacturing cost estimation models – a classification review. Int J Adv Manuf Technol. 2020. 107. P. 4033–4053. https://doi.org/10.1007/s00170-020-05262-5.
5. Yadav D., Chhabra D., Kumar Garg R., Ahlawat A., Phogat A. Optimization of FDM 3D printing process parameters for multi-material using artificial neural network. Materials Today: Proceedings. 2020. 21 (3). P. 1583–1591. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2019.11.225.
6. Wibawa T., Mastrisiswadi H., Ismianti I. 3D Print Parameter Optimization: A Literature Review. LPPM UPN "Veteran" Yogyakarta Conference Series Proceeding on Engineering and Science Series 2020. 1 (1). P. 146–151. https://doi.org/10.31098/ess.vlil.105
7. Araújo L.J.P., Özcan E., Atkin J.A.D, Baumersumers M. Analysis of irregular three-dimentional packing problems in additive manufacturing: a new taxonomy and dataset. International of Production Research. 2019. 57 (18), P. 5920–5934. https://doi.org/10.1080/00207543.2018.1534016
8. Leao A., Toledo F., Oliveira J., Carravilla M., et al. Irregular packing problems: a review of mathematical models. Eur. J. Oper. Res. 2020. 282 (3). P. 803–822. https://doi.org/10.1016/j.ejor.2019.04.045
9. Zhao J. Meso-model Optimization of Composite Propellant Based on Hybrid Genetic Algorithm and Mass Spring System. Journal of Physics: Conference Series 202. 2025 (1). P. 012036. https://doi.org/10.1088/1742-6596/2025/1/012036
10. Yuan Y., Tole K., Ni, F., He K., Xiong Z., Liu J. Adaptive simulated annealing with greedy search for the circle bin packing problem. Computers & Operations Research. 2022. 144. P. 105826. https://doi.org/10.1016/j.cor.2022.105826
11. Li S., Wei Y., Zhu H., Yu Z. New Fast Ant Colony Optimization Algorithm: The Saltatory Evolution Ant Colony Optimization Algorithm. Mathematics. 2022. 10 (6). P. 925. https://doi.org/10.3390/math10060925
12. Blum C., Blesa M.J. Probabilistic Beam Search for the Longest Common Subsequence Problem. In: Stützle, T., Birattari, M., H. Hoos, H. (eds) Engineering Stochastic Local Search Algorithms. Designing, Implementing and Analyzing Effective Heuristics. SLS 2007. Lecture Notes in Computer Science. 2007. Vol. 4638. Springer, Berlin, Heidelberg. https://doi.org/10.1007/978-3-540-74446-7_11
13. Stoyan Y., Romanova T., Pankratov A., Chugay A. Optimized object packings using quasi-phi-functions. Optimized packings with applications. 2015. P. 265–293. http://doi.org/10.1007/978-3-319-18899-7_13/
14. Kubach T., Bortfeldt A., Tilli T., Gehring H. Greedy algorithms for packing unequal spheres into a cuboidal strip or a cuboid. Asia-Pacific Journal of Operational Research. 2011. 28(06), P. 739–753. https://doi.org/10.1142/S0217595911003326.
15. Romanova T., Stetsyuk P., Chugay A.M. et al. Parallel Computing Technologies for Solving Optimization Problems of Geometric Design. Cybern Syst Anal. 2019. 55. P. 894–904. https://doi.org/10.1007/s10559-019-00199-4
16. Wachter A., Biegler L.T. On the implementation of an interior-point filter line-search algorithm for large-scale nonlinear programming. Math. Program. 2006. 106 (1). P. 25–57. https://doi.org/10.1007/s10107-004-0559-y
ISSN 2707-451X (Online)
ISSN 2707-4501 (Print)
Попередня | ПОВНИЙ ТЕКСТ | Наступна