مقايسه روشهاي بهينه سازي تحليلي و مبتني بر طراحي تجربي به منظور تعيين جهت گيري بهينه ساخت در فرآيندهاي نمونه سازي سريع

Comparison of analytical and experiment design-based optimization methods to determine the optimum part build orientation in rapid prototyping processes

نمونه‌سازي سريع (ساخت افزودني يا چاپ سه‌بعدي) روشي از ساخت قطعات است كه مي‌تواند نمونه طراحي شده در رايانه را به‌طور مستقيم به قطعه فيزيكي تبديل كند. يكي از مهمترين عواملي كه در ساخت قطعات با روش نمونه‌سازي سريع بايد مورد توجه قرار گيرد، الگوي جهت‌گيري ساخت قطعه است. جهت‌گيري ساخت قطعه در فرآيندهاي نمونه-سازي سريع بر روي خواص قطعه از جمله استحكام، زمان ساخت، صافي سطح، مقدار مواد تكيه‌گاهي مورد استفاده و قيمت ساخت تأثير گذار است. در اين بين زمان ساخت قطعه و زبري سطح از مهمترين مشخصه‌هايي هستند كه به طور مستقيم تحت تأثير جهت‌گيري قطعات قرار دارند. در اين مقاله، دو الگوريتم بر اساس روش‌هاي بهينه‌سازي تحليلي و تجربي براي تعيين جهت‌گيري بهينه ساخت به منظور كمينه كردن زمان ساخت و زبري سطح ارائه شده‌ است. براي پياده‌سازي اين روش، قطعه مورد نظر كاربر در فرمت زبان استاندارد مثلثي (STL) دريافت مي‌شود سپس با استفاده از مشخصات هندسي و نوع جهت‌گيري قطعه زمان تخميني ساخت و مقدار ميانگين زبري سطح قطعه محاسبه مي‌شود. به منظور تعيين جهت‌گيري بهينه از دو روش بهينه‌سازي تحليلي (روش NSGA-II) و تجربي (روش جديد و توسعه يافته تاگوچي) استفاده شده‌است. پس از معرفي مراحل هر يك از اين دو روش به منظور تعيين جهت‌گيري بهينه ساخت قطعه، مراحل اين دو الگوريتم پيشنهادي بر روي قطعه‌اي به عنوان مطالعه موردي پياده‌سازي مي شود و نتايج حاصل مورد مقايسه و بحث قرار مي گيرد.

In the rapid prototyping process, the orientation pattern of the part is one of the most important factors that significantly affect the product properties such as the build time, the surface roughness, the mechanical strength, and the amount of support material. The build time and the surface roughness are the more imperative criteria than others that can be considered to find the optimum orientation of parts. In this paper, two algorithms based on analytical and empirical optimization methods are presented to determine optimum part build orientation in order to minimize build time and surface roughness. To implement this method, the user's part is received in standard triangle language (STL) format. Then, using the geometric characteristics and type of part orientation, the build time and the average of surface roughness is calculated. In order to determine the optimum part build orientation, two analytical (NSGA-II method) and experimental (new and developed Taguchi method) optimization methods have been used. After introducing the steps of these two methods, in order to determine optimum part build orientation, the steps of these two proposed algorithms are implemented on a part as a case study and obtained results are compared and discussed. The results for the proposed part show that optimal orientation from both optimization algorithms is acceptable. also the computational cost of the experimental optimization method is far less than the analytical method.