Математическое и программное обеспечение подсистемы эскизного проектирования САПР экструзионных 3D-принтеров тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.12, кандидат наук Копец Екатерина Евгеньевна

• Копец Екатерина Евгеньевна
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Копец Екатерина Евгеньевна

Введение

1 ОБЗОР СИСТЕМ АДДИТИВНОГО ПРОИЗВОДСТВА И ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТОВ

1.1 Технологии 3Б-печати

1.1.1 Стереолитография (SLA)

1.1.2 Цифровая обработка светом (DLP)

1.1.3 Технология моделирования методом осаждения расплавленной нити (FDM/FFF)

1.1.4 Селективное лазерное спекание (SLS)

1.1.5 Прямая лазерная плавка (SLM)

1.1.6 Мультиструйная плавка (MJF)

1.1.7 Электронно-лучевая плавка (EBM)

1.1.8 Струйная 3D-печать наночастицами (NPJ)

1.1.9 Метод ламинирования объектов (LOM)

1.1.10 Струйная печать связующим веществом (BJ)

1.2 Обзор существующих кинематических схем 3D-принтеров

1.2.1 Роботы с декартовой системой координат

1.2.2 Шарнирные роботы

1.2.3 Роботы с цилиндрической системой координат

1.2.4 Роботы с полярной или сферической системой координат

1.2.5 Роботы SCARA

1.2.6 Дельта-роботы

1.3 Модели проектирования

1.3.1 Каскадная модель проектирования

1.3.2 Спиральная модель проектирования

1.3.3 Гибкая модель проектирования

1.3.4 V-модель и dual-Vee модель проектирования

1.4 Ошибки при FDM 3D-печати

1.4.1 Смещение и деформация платформы печати

1.4.2 Смещение сопла

1.4.3 Истощение печатного материала или нарушение подачи филамента

1.4.4 Отсутствие или потеря адгезии к печатной платформе

1.4.5 Неточные настройки параметров 3Б-принтера

1.4.6 Влияние вибрации на печать

1.5 Выводы по главе

2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ САПР ЭКТСРУЗИОННЫХ 3Б-ПРИНТЕРОВ

2.1 Систематизация декартовых роботов

2.1.1 Фиксированные ХС, YС, ZС и подвижные ХЭ, YЭ, ZЭ

2.1.2 Фиксированные ХС, YС, ZЭ и подвижные ХЭ, YЭ, ZС

2.1.3 Фиксированные ХС, YЭ, ZС и подвижные ХЭ, YС, ZЭ

2.1.4 Фиксированные ХС, YЭ, ZЭ и подвижные ХЭ, YС, ZС

2.1.5 Фиксированные ХЭ, YЭ, ZС и подвижные ХС, YС, ZЭ

2.1.6 Фиксированные ХЭ, YЭ, ZЭ и подвижные ХС, YС, ZС

2.1.7 Итоговая систематизация декартовых роботов

2.2 Исследование статических деформаций декартовых 3D-принтеров

2.2.1 Описание методики опытов

2.2.2 Метод конечных элементов

2.2.3 Результаты моделирования на статические деформации

2.3 Частотный анализ декартовых 3D-принтеров

2.3.1 Моделирование методом конечных элементов

2.3.2 Линеаризованная математическая модель 3Б-принтера, учитывающая конечную жесткость соединений элементов конструкции

2.3.3 Математическая модель 3Б-принтера с учётом нелинейности жесткости соединений элементов конструкции

2.4 Выводы по главе

3 ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПОДСИСТЕМЫ ЭСКИЗНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ САПР ЭКСТРУЗИОННЫХ 3 Б-ПРИНТЕРОВ

3.1 Программное обеспечение САПР для анализа вибраций

3.2 Декомпозиция процесса проектирования 3D-принтера по стадиям V-модели

3.2.1 Техническое задание

3.2.2 Эскизное проектирование

3.2.3 Ключевые решения по механике и электронике

3.2.4 Код (рабочее проектирование)

3.2.5 Тестирование механики и электроники

3.2.6 Тестирование системы в целом

4 АПРОБАЦИЯ РАЗРАБОТАННЫХ КОМПОНЕНТОВ САПР ЭКСТРУЗИОННЫХ 3Б-ПРИНТЕРОВ

4.1 Постановка задачи

4.2 Проектирование 3Б-принтера по V-модели: нисходящая ветвь

4.2.1 Техническое задание

4.2.2 Эскизное проектирование

4.2.3 Рабочее проектирование

4.2.4 Тестирование

4.3 Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список сокращений и условных обозначений

Список литературы

Приложение А

Приложение Б

Приложение В

Приложение Г

Приложение Д

Введение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Математическое и программное обеспечение подсистемы эскизного проектирования САПР экструзионных 3D-принтеров»

Актуальность темы диссертации

Традиционные (субтрактивные) типы механической обработки материалов, такие как фрезерование, сверление, точение, строгание, шлифование и т.д., существуют уже много лет и помогают человеку изготавливать детали различной сложности. С 1980-х гг., повсеместное распространение начинают получать станки с ЧПУ, заменяющие традиционные фрезерные и токарные станки с ручным управлением, а также активно внедряются технологии роботизированного производства в строительную [1], аэрокосмическую [2], обрабатывающую промышленности, и др. [3,4]. Помимо субтрактивного производства, которое предполагает удаление части материала заготовки для создания законченного изделия, все большее распространение получают технологии аддитивного производства, предполагающие создание изделия путем наращивания его материала. В последнее время, все чаще в качестве синонима словосочетанию «Аддитивное производство» употребляют термин «3В-печать». Технологии аддитивного производства активно внедряются в промышленность и быт благодаря удобству в изготовления изделий любой сложности с минимальными затратами по времени и финансам.

3В-печать — это принципиально иной способ изготовления деталей по сравнению с традиционными (субтрактивными) технологиями производства. Любой 3В-принтер создаёт детали путём послойного добавления материала. Слои укладываются различными способами, в зависимости от используемой технологии. Данный принцип позволяет

изготавливать сложные компоненты, не разбивая их на несколько частей, избегая, таким образом, дополнительных затрат.

В SD-печати никаких специальных инструментов или оснасток не требуется (например, режущего инструмента с определённой геометрией или пресс-формы). Вместо этого деталь изготавливается непосредственно на печатной платформе. Технология SD-печати значительно сокращает время изготовления прототипа, по сравнению с традиционным производством, позволяя изготавливать его за несколько часов, а также сокращает его стоимость. Традиционное же производство остается наиболее экономичным при больших объёмах выпуска изделий [5].

Количество разновидностей технологий ЭБ-печати увеличивается каждый год, создаются способы использования самых различных материалов, от бумаги до металла и бетона. Аддитивные технологии стремительно развиваются, и можно предположить, что уже через 10 лет 3Б-печать будет встречаться в повседневной жизни каждого человека [6].

На сегодняшнем этапе развития сферы аддитивного производства любой человек может по инструкции в интернете собрать собственный FDM 3Б-принтер. Из-за низкой себестоимости и простоты создания, 3D-принтеры, работающие по технологии FDM, являются наиболее популярными. Не только любители, но и различные компании (стартапы) разрабатывают огромное количество конструктивных и технологических решений создания таких 3Б-принтеров, и все они отличаются друг от друга.

Многие компании, которые сейчас успешны на рынке 3Б-принтеров,

начинали с разработки своего продукта сначала на любительском уровне,

пытаясь улучшить недостатки уже существующих моделей. Например,

успех компании Picasso 3D, которая является одним из лидеров на рынке

3Б-печати в России, начался с улучшения открытого зарубежного проекта

6

ЯерЯар [7]. Главным противоречием при создании 3Б-принтера является требование как можно более высокой скорости, надежности и автономности процесса печати при необходимости минимизировать стоимость разработки и изготовления 3Б-принтера, а также его сложность. Например, недавние результаты [8] и [9] показывают, что учет механических свойств рамы и экструдера 3Б-принтера при создании его встроенного программного обеспечения позволяют значительно повышать качество печати при высоких скоростях перемещения экструдера и производить автоматическую диагностику засорения сопла 3Б-принтера. При этом, сложность как ПО, так и конструкции увеличивается, следовательно, увеличиваются временные и финансовые затраты на проектирование 3Б-принтера.

В связи с все возрастающими требованиями к 3Б-печати внедряются

новые технологические решения: малошумные моторы, экструдеры

повышенной точности, производительные контроллеры. Назревает

необходимость и в создании специализированных САПР для устройств

трехмерной печати. Существующие средства машиностроительных САПР

позволяют проектировать аддитивные системы и производить

общеинженерные виды анализа, однако ряд специальных вопросов,

возникающих при проектировании 3Б-принтеров, в них не решен. В

частности, не существует средств, помогающих инженеру на этапе

эскизного проектирования выбрать то или иное конструкторское решение,

касающееся кинематики 3Б-принтера с учетом особенностей конкретной

технологии, таких как масса экструдера, требования к подвижности

печатной платформы, масса и габариты элементов рамы 3Б -принтера и его

приводов. Известно, что успешность этапа эскизного проектирования во

многом определяет конечную стоимость разработки и качество итогового

технического решения, что обуславливает актуальность данной

7

диссертационной работы, посвященной созданию подсистемы эскизного проектирования САПР наиболее массовых - экструзионных - 3D-принтеров. Основной акцент диссертационной работы сделан на математическом и программном обеспечении этой подсистемы.

Степень разработанности темы диссертации

Значительный вклад в разработку теоретических и практических основ 3D-печати заложили работы Чарльза Халла, Карла Декарда, Скота Крампа. В 1983 Чарльз Халл изобрел первый прототип фотополимерного 3D-принтера и тем самым создал стереолитографию, которая стала первой технологией 3D-печати [10]. В 1987 году Карл Декард изобрел метод лазерного спекания или SLS технологию 3D-печати, суть которой заключается в спекании порошкового материала лазерным лучом [11]. В 1988 Скот Крамп патентует свою идею о создании 3D объектов путём послойной экструзии расплавленного материала, что даёт развитие FDM технологии [12].

Важные исследования в области усовершенствований конструкции внес один из пионеров FDM-печати и создатель фирмы Prusa3D Йозеф Прюша, который разработал печатную платформу с подогревом, адаптировал и упростил дизайн RepRap Mendel, сократив время 3D-печати деталей с 20 до 10 часов [13].

В СССР и России разработками 3D-принтеров и 3D-печати занимались Г. А. Разуваев, А. Исупов М. Анисимов. В частности, Разуваевым в 1972 г. была опубликована схема устройства, которое позволяло создавать с помощью электронного луча металлические изделия нанометрового размера (например, микросхемы) [14]. А. Исупов и М. Анисимов одними из первых в России начали разрабатывать собственные 3D-принтеры, работающие по технологии FDM. В 2010 году они

улучшили конструкцию ЗБ-принтера канадского производства и, продолжая заниматься разработкой ЗБ-принтеров, открыли свою компанию Picasso 3D, которая на данный момент занимает значительную долю рынка в своей области в России [7]. Цель и задачи исследования

Цель диссертационной работы — повышение технических характеристик объекта проектирования - ЗБ-принтеров, работающих по принципу экструдирования материала, за счет создания компонентов математического и программного обеспечения подсистемы эскизного проектирования САПР 3D-принтеров.

Объектом исследования является подсистема эскизного проектирования САПР 3D-принтеров.

Предметом исследования являются математическое и программное и обеспечение подсистемы эскизного проектирования САПР экструзионных ЗБ-принтеров.

Задачи диссертационной работы

Исходя из поставленной цели в процессе выполнения работы необходимо решить следующие научно-технические задачи:

1. Исследование существующих систем аддитивного производства и особенностей изготавливаемых с их помощью изделий в зависимости от технологии и механической конструкции.

2. Создание систематизации декартовых роботов, используемых для трехмерной печати.

3. Разработка математического обеспечения подсистемы эскизного проектирования САПР экструзионных 3D-принтеров для частотного анализа идентификации отдельных элементов конструкции.

4. Разработка программного обеспечения подсистемы эскизного проектирования САПР экструзионных 3Б-принтеров анализа механической части экструзионных систем трехмерной печати.

5. Апробация методического и программного обеспечения САПР экструзионных систем трехмерной печати на примере 3Б-принтера нового типа, печатающего водной дисперсией полиакрилата. Научная новизна

1. Предложена систематизация экструзионных 3Б-принтеров, упрощающая этап эскизного проектирования экструзионных 3Б-принтеров, отличающаяся от ранее известных систематизаций в части используемых критериев: критерия замкнутости -разомкнутости оси и критерия подвижности-неподвижности оси.

2. Разработана математическая модель механической составляющей 3Б-принтера, отличающаяся тем, что учитывает конечную жесткость и нелинейность соединений элементов конструкции 3Б-принтера и позволяет рассчитывать его собственные частоты более точно по сравнению с реализованными в существующих САПР методами конечных элементов и многотельного моделирования.

3. Разработан алгоритм идентификации нелинейной жесткости соединения конструкционных элементов 3Б-принтера, отличающийся тем, что включает этап одновременной классификации и регрессии, дающий более точные результаты по сравнению с известными ранее алгоритмами.

4. Разработано программное обеспечение подсистемы эскизного проектирования САПР систем трехмерной печати в средах МЛТЬЛБ и LabVIEW на основе разработанного математического обеспечения и апробировано на 3Б-принтере нового типа, печатающего водной дисперсией полиакрилата.

Теоретическая и практическая значимость работы Теоретическая значимость работы

1. Предложена систематизация экструзионных 3Б-принтеров по двум новым критериям.

2. Получена математическая модель механической составляющей 3Б-принтера, позволяющая на этапе эскизного проектирования рассчитывать его собственные частоты по сравнению с известными ранее подходами.

3. Разработан алгоритм идентификации нелинейной жесткости соединения конструкционных элементов 3Б-принтера.

Практическая значимость результатов работы

Значение результатов диссертационной работы для практического применения заключается в следующем:

1. Разработанное математическое и программное обеспечение САПР экструзионных 3D-принтеров позволяет повысить технические характеристики проектируемых систем аддитивного производства по сравнению с существующими аналогами, а также определяет техническую возможность создания более сложных аддитивных систем, чем известные ранее, в том числе работающих на основе новых принципов.

2. Разработанное математическое и программное обеспечение подсистемы САПР экструзионных 3D-принтеров позволяет повысить точность 3D-печати за счет уменьшения влияния собственных частот колебаний механической части проектируемой аддитивной системы.

Методология и методы исследования

Для решения поставленных задач в диссертационной работе используются методы теории моделирования, вычислительной математики, теории динамических систем, теории автоматического

управления, положения теории построения САПР, методика модельного проектирования и технология виртуальных инструментов.

Научные положения, выносимые на защиту

1. Новое математическое обеспечение подсистемы эскизного проектирования САПР экструзионных 3D-принтеров в виде методов анализа динамики аддитивных устройств и параметрической идентификации их отдельных узлов.

2. Новое программное обеспечение подсистемы эскизного проектирования САПР экструзионных 3D-принтеров, предназначенное для параметрической идентификации узлов сопряжения конструкционных элементов и расчета собственных частот проектируемого изделия.

3. Новая формальная процедура эскизного проектирования

декартовых экструзионных 3D-принтеров, включающая анализ предложенной математической модели, разрабатываемой на основе набора возможных технических решений, описанных в систематизации декартовых 3D-принтеров.

Степень достоверности и апробация результатов Достоверность научных результатов

Подтверждается результатами компьютерного моделирования в инструментальных средах, полунатурного моделирования, а также инженерной практикой проектирования систем аддитивного производства.

Апробация результатов работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

1. Kopets E.E., Kolev G.Y., Vatnik V.M., Karimov A.I., Rybin V.G., Mechanical Vibration Analysis of a Gantry 3D Printer, 2021 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (ElConRus), St. Petersburg, Moscow, Russia, 2021, pp. 956-960;

2. International Conference «Quality Management, Transport and Information Security, Information Technologies» (IT&QM&IS), Karimov A.I., Pesterev D.O., Ostrovskii V. Y., Butusov D. N., Kopets E. E. Brushstroke rendering algorithm for a painting robot // Saint Petersburg, Russia, September 24-30, 2017, статья № 8085826, pp. 323-326.

Практическая реализация и внедрение результатов работы

Предложенная методика автоматизации проектирования апробирована и внедрена в учебный процесс на кафедре САПР СПбГЭТУ «ЛЭТИ». Акт внедрения представлен в приложении Д.

Публикации

Основные теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 9 научных трудах, из них по теме диссертации 9, среди которых 1 публикаций в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных в действующем перечне ВАК, 5 публикаций, индексируемых в международной базе данных SCOPUS, 2 прочих и материалов международных и прочих конференций и 1 программа, зарегистрированая в федеральном реестре программ для ЭВМ.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 4 глав с выводами и заключения. Она изложена на 188 страницах машинописного текста, включает 74 рисунка, 18 таблиц, 5 приложений общим объемом 12 страниц и содержит

список литературы из 144 наименований, среди которых 19 отечественных и 127 иностранных авторов.

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, определяются цели и задачи исследования, объект и предмет исследования, формулируются основные положения, выносимые на защиту, дается новизна полученных результатов, подтверждение их обоснованности, научной достоверности и практической ценности.

Первая глава диссертационной работы посвящена сравнительному анализу технологий ЭБ-печати и используемым роботизированным системам для применения данных технологий.

В начале главы дается общее представление о понятии 3D -печати, различных типах технологий ЭБ-печати с их преимуществами, ограничениями, используемыми материалами и сферами применения каждой из технологий. Рассматриваются основные технологии 3D-печати, такие как стереолитография, цифровая обработка светом (англ. Digital light processing), моделирование путем осаждения расплавленной нити (англ. Fused Deposition Modeling), лазерное спекание (англ. Selective Laser Sintering), прямая лазерная плавка (англ. Selective Laser Melting), мультиструйная плавка (англ. Multi Jet Fusion), электронно-лучевая плавка (англ. Electron Beam Melting), струйная 3Б-печать (англ. Nano particle jetting), метод ламинирования объектов (англ. Laminated Object Manufacturing), Струйная печать связующим веществом (англ. Binder Jetting), 3Б-печать сваркой.

В главе проводится аналитический обзор существующих кинематических схем, используемых в ЭБ-печати, среди которых рассматриваются роботы с цилиндрической (англ. Cylindrical robots), полярной (англ. Polar robots), сферической (англ. Spherical robots) и

14

декартовой (англ. Cartesian robots) системой координат. Описывается конструкция каждой роботизированной системы и рассматриваются сферы применения данных систем, а также приводятся примеры использования конкретных роботизированных систем в сфере аддитивного производства.

Рассматриваются несколько моделей проектирования: каскадная модель; спиральная модель; гибкая модель и V-модель, а также приводятся плюсы и минусы каждой модели.

Выделяется наиболее распространенная технология ЭБ-печати, FDM, и рассматриваются основные дефекты, возникающие при ее использовании. Все дефекты разбиты на несколько групп: дефекты, связанные со смещением платформы печати; дефекты, связанные со смещением сопла; дефекты, связанные с истощением печатного материала и нарушением подачи филамента; дефекты, связанные с отсутствием или потерей адгезии к печатной платформе; дефекты, связанные снеточными настройками параметров ЭБ-принтера; дефекты, связанные с резонансными частотами, возникающими во время печати.

Глава завершается выводами.

Во второй главе диссертационной работы изложена систематизация декартовых ЭБ-принтеров и приведены примеры по каждой существующей схеме. По схемам, которые используются на практике, составлены ЭБ-модели. Используя составленные ЭБ-модели проведен статический и модальный анализ во Fusion Э60.

В начале главы описывается принцип систематизации. Введены понятия «замкнутость по оси», «разомкнутость по оси», «фиксированная ось» и «подвижная ось». Выделяется систематизация декартовых ЭБ-принтеров по фиксированным и подвижным осям. В каждом полученном

варианте рассматриваются ЗБ-принтера с разомкнутыми и замкнутыми осями.

Статический анализ был проведен с четырьмя видами нагрузок (LoadCase):

LoadCase 1: моделирование, с учётом только силы гравитации.

LoadCase 2: моделирование, с учётом силы гравитации и силы инерции, равной 0,15 Н.

LoadCase З: моделирование, с учётом силы гравитации и силы инерции, равной 0,45 Н.

LoadCase 4: моделирование, с учётом силы гравитации и силы инерции, равной 5 Н.

Описана модель на основе упругого шарнирного соединения для станочного профиля разного сечения. Проведено экспериментальное и исследование жесткостей сопряжений станочного профиля. Также, было проведено исследование зависимости собственной частоты колебаний рамы ЗБ-принтера Anycubic i3 Mega в зависимости от положения печатающей головы по оси Z. С помощью Fusion 360 был проведен модальный анализ частот, которые могут возникать при работе данного ЗБ-принтера. Для проведения анализа была создана точная ЗБ-модель исследуемой системы. Затем с помощью акселерометра были получены данные о вибрациях, возникающих во время работы ЗБ-принтера Anycubic i3 Mega. Значения частот, влияющих на работу ЗБ-принтера, были получены с использованием спектрального анализа полученных данных. Разработано программное обеспечение в пакете MATLAB для анализа вибрационных данных, получаемых с акселерометра.

Глава завершается выводами об основных недостатках существующих подходов для нахождения собственных частот составных конструкций - неточности из-за невозможности учета особенностей механических сочленений элементов конструкции, а также необходимости создания достаточно подробной модели, что невозможно на этапе эскизного проектирования. В связи с этим предложен новый подход расчета динамических характеристик 3Б-принтера на основе модели упругого сочленения и новый подход к идентификации нелинейных моделей этих сочленений. Предложенный подход к расчету собственных частот составных конструкций более прост и точен по сравнению с известными.

Третья глава посвящена компонентам программного обеспечения САПР проектирования 3Б-принтеров. Основной акцент в работе сделан на этапе эскизного проектирования. Ранее был определен критерий качества механической части аддитивной системы - собственные частоты. Если известны жесткости сочленений, которые предполагается использовать, а также примерные массогабаритные значения узлов и конструкционных элементов, то уже на этапе эскизного проекта можно выбрать тип кинематической схемы с наиболее высокими собственными частотами колебаний по всем степеням свободы, которые могут влиять на качество работы системы АП.

Глава завершается выводами о созданном компоненте программного обеспечения САПР проектирования 3D-принтеров, резюмируются основные возможности разработанного ПО и особенности используемых алгоритмов.

Четвертая глава диссертационной работы посвящена апробации разработанных компонентов САПР экструзионных 3Б-принтеров,

описанных во второй и третьей главе, на примере разработки аддитивной установки с уникальными характеристиками, использующей в качестве материала водную дисперсию акрилового полимера, ранее для 3 Б-печати не применявшуюся. В начале главы описываются цель и задачи проектирования, а также формируются требования к системе печати акриловым полимером - аддитивной системе, способной решать ряд специальных задач. Например, она способна воспроизводить трехмерную текстуру живописных работ с использованием художественных пигментов, что позволяет использовать ее для реставрации и копирования объектов культурного наследия.

Глава завершается выводами о том, что разработанные компоненты математического и программного обеспечения САПР экструзионных 3D -принтеров позволили упростить процесс проектирования сложной установки 3D-печати, использующей новую технологию и обладающей рядом уникальных конструкционных особенностей. Благодаря выполненным на этапе эскизного проектирования расчетам удалось полностью уложиться в требования технического задания и избежать трудного и затратного этапа перепроектирования.

В заключении сформулированы основные научные и практические результаты диссертационной работы.

В приложении А приводится электрическая схема разработанной системы машинной живописи.

В приложении Б приводятся копии свидетельств о государственной регистрации программ для ЭВМ.

В приложении В приводится полная систематизация картезианских роботом.

В приложении Г приводится код программы для обработки данных с акселерометра.

В приложении Д приводятся акты о внедрении результатов работы.

1 ОБЗОР СИСТЕМ АДДИТИВНОГО ПРОИЗВОДСТВА И ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТОВ

ЭБ-печать — процесс создания реального объекта по образцу в виде ЭБ-модели. Первый шаг при ЭБ-печати объекта — создание ЭБ-модели объекта с помощью программного обеспечения САПР. Модель описывает геометрические свойства объекта. Затем созданная ЭБ-модель, как правило, преобразуется в формат STL. Данный формат файла определяет внешние замкнутые поверхности ЭБ-модели. После загрузки файла STL на SD-принтер, принтер настраивается перед процессом печати. После завершения печати напечатанная модель удаляется с печатающей платформы и отправляется на постобработку [15].

Качество ЭБ-печати зависит от множества различных параметров: технологии печати, используемых материалов ЭБ-печати, конструкции ЭБ-принтера, окружающей среды и т.д. [16].

В первой главе подробно описаны основные технологии 3D -печати и используемые ими материалы, конструкции роботизированных систем, которые используются при создании ЭБ-принтеров, ошибки, возникающие при 3Б-печати и модели проектирования.

1.1 Технологии ЭБ-печати

Существует ряд технологий аддитивного производства, ниже приведены основные:

1. Стереолитография (SLA);

2. Цифровая обработка светом/ Непрерывная цифровая обработка светом (DLP/CDLP);

3. Моделирование методом осаждения расплавленной нити (FDM/FFF);

4. Выборочное лазерное спекание (SLS);

5. Прямое лазерное спекание/ Выборочная лазерная плавка (DMLS/SLM);

6. Электронно-лучевая плавка (EBM);

7. Мультиструйная плавка (MJF);

8. Струйная SD-печать наночастицами (NPJ);

9. Метод ламинирования объектов (LOM);

10. Струйная печать связующим веществом (BJ);

1.1.1 Стереолитография (SLA)

SLA технология является первой созданной технологией SD-печати. В 1983 году Чарльз (Чак) Халл представил публике первую деталь, напечатанную на 3D-принтере с использованием изобретенного им процесса под названием стереолитография [17].

Стереолитография (SLA) — это процесс послойного преобразования светочувствительной жидкости (фотополимерной жидкой смолы) в трехмерные твердые объекты с использованием лазера малой мощности и процесса фотополимеризации. SLA — один из самых точных процессов SD-печати. Толщина слоя, заявленная производителями принтеров, использующих данную технологию, колеблется от 10 до 25 мкм. Точность размеров модели составляет ± 0,5% (нижний предел: ± 0,10 мм) для бытовых SD-принтеров, и ± 0,15% (нижний предел ± 0,01 мм) для промышленных.

Точность получаемой модели напрямую зависит от качества фотополимера и правильной постобработки модели (промывка деталей в растворе изопропилена и обработка УФ-излучением). Точность печати теряется при ухудшении состояния лазера, материала или оптики [18].

Стереолитография наиболее часто используется для прототипирования, так как она менее трудоёмка по сравнению с традиционными процессами изготовления деталей при столь же высоком качестве. Сочетание медицинской визуализации и стереолитографии все чаще используется для создания моделей или форм имплантатов анатомической формы. Например, научная группа Sodian R. et al. [19] подготовила индивидуальные сердечные клапаны, которые можно установить без наложения швов. Другими исследователями этого направления были изготовлены имплантаты в форме ушей [20] и аорты [21]. В области тканевой инженерии, по данным компьютерной томографии изготавливаются имплантаты для челюстно-лицевой хирургии [22].

С помощью стереолитографии можно изготовить множество медицинских имплантатов с заданной геометрией и физическими свойствами, например, устройства для фиксации переломов костей, детали для искусственных бедер или коленей, нервные каналы или протезы. Liska R. et al. опубликовали обширную библиотеку фотоотверждаемых нецитотоксических полимерных материалов с широким диапазоном физических и химических свойств, которые можно использовать для долгосрочных применений [2Э - 25] .

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Копец Екатерина Евгеньевна, 2022 год

Список литературы

1. Bier H. et al. Robotic building as integration of design-to-robotic-production and-operation //Robotic Building. - Springer, Cham, 2018. - С. 97120.

2. Bogue R. The growing use of robots by the aerospace industry //Industrial Robot: An International Journal. - 2018.

3. Edwards M. Robots in industry: An overview //Applied ergonomics. -1984. - Т. 15. - №. 1. - С. 45-53.

4. Everett J. G., Slocum A. H. Automation and robotics opportunities: construction versus manufacturing //Journal of construction engineering and management. - 1994. - Т. 120. - №. 2. - С. 443-452.

5. Bell C. Maintaining and troubleshooting your 3D printer. - Apress, 2014.

6. Gao W. et al. The status, challenges, and future of additive manufacturing in engineering //Computer-Aided Design. - 2015. - Т. 69. - С. 65-89.

7. История компании PICASO 3D [Электронный ресурс] // Официальный сайт компании Picaso 3D. URL: https://picaso-3d.com/ru/about/ (дата обращения: 18.10.2020).

8. Tlegenov Y., Hong G. S., Lu W. F. Nozzle condition monitoring in 3D printing //Robotics and Computer-Integrated Manufacturing. - 2018. - Т. 54. -С. 45-55.

9. Menderes K. A. M., Saruhan H., Ipekci A. Investigation the effects of 3D printer system vibrations on mechanical properties of the printed products //Sigma journal of engineering and natural sciences. - 2018. - Т. 36. - №. 3. -С. 655-666.

10. Hull C. W. Apparatus for production of three-dimensional objects by stereolithography //United States Patent, Appl., No. 638905, Filed. - 1984.

11. Deckard C. R. Method and apparatus for producing parts by selective sintering : пат. 4863538 США. - 1989.

12. Crump S. S. Apparatus and method for creating three-dimensional objects : пат. 5121329 США. - 1992.

13. PCB heated print bed by Josef Prusa [Электронный ресурс] // Thingiverse. URL: https://www.thingiverse.com/thing:2172 (дата обращения: 18.10.2020).

14. Разуваев Г. А., Грибов Б. Т., Домрачев Г. А, Соломатин Б. А. Металлоорганические соединения в электронике. - 1972.

15. Kai C.C., Fai L.K., Chu-Sing L. Rapid prototyping: principles and applications in manufacturing. World Scientific Publishing Co., Inc., 2003.

16. Bellehumeur C. et al. Modeling of bond formation between polymer filaments in the fused deposition modeling process //Journal of manufacturing processes. - 2004. - Т. 6. - №. 2. - С. 170-178.

17. Wohlers T., Gornet T. History of additive manufacturing //Wohlers report. - 2014. - Т. 24. - №. 2014. - С. 118.

18. Yan X., Gu P. A review of rapid prototyping technologies and systems //Computer-aided design. - 1996. - Т. 28. - №. 4. - С. 307-318.

19. Sodian R. et al. Application of stereolithography for scaffold fabrication for tissue engineered heart valves //ASAIO journal. - 2002. - Т. 48. - №. 1. -С. 12-16.

20. Naumann A. et al. Clinical aspects and strategy for biomaterial engineering of an auricle based on three-dimensional stereolithography //European archives of oto-rhino-laryngology. - 2003. - Т. 260. - №. 10. - С. 568-575.

21. Sodian R. et al. Tissue engineering of vascular conduits: fabrication of custom-made scaffolds using rapid prototyping techniques //The Thoracic and cardiovascular surgeon. - 2005. - Т. 53. - №. 03. - С. 144-149.

22. D'Urso P. S. et al. Custom cranioplasty using stereolithography and acrylic //British Journal of Plastic Surgery. - 2000. - Т. 53. - №. 3. - С. 200204.

23. Способ формирования индивидуального эндопротеза тазобедренного сустава. пат. Рос. Федерация / Вопиловский, П. Н., Дмитревич, Г. Д., Нгуен, Н. М., Сольницев, Р. И., Тихилов, Р. М., Цыбин, А. В., Шаронов, А. А. - № 2015121466; заявл. 04.06.2015; опубл. 07.06.2017. Бюл. № 16. - 7 с.

24. Сольницев Р. И., Аль-Кисвани А. И. Быстрое прототипирование в проектировании и производстве прецизионных приборов на основе аддитивной технологии //Известия СПбГЭТУ ЛЭТИ. - 2019. - №. 7. - С. 35-41.

25. Schuster M. et al. Evaluation of biocompatible photopolymers II: further reactive diluents //Monatshefte für Chemie-Chemical Monthly. - 2007. - Т. 138. - №. 4. - С. 261-268.

26. Lu Y. et al. A digital micro-mirror device-based system for the

microfabrication of complex, spatially patterned tissue engineering scaffolds

//Journal of Biomedical Materials Research Part A: An Official Journal of The

Society for Biomaterials, The Japanese Society for Biomaterials, and The

161

Australian Society for Biomaterials and the Korean Society for Biomaterials. -2006. - Т. 77. - №. 2. - С. 396-405.

27. Кушнир Н. В. и др. 3D-принтеры: история и технологии трехмерной печати //Электронный сетевой политематический журнал" Научные труды КубГТУ". - 2015. - №. 6. - С. 147-155.

28. Kuang X. et al. Grayscale digital light processing 3D printing for highly functionally graded materials //Science advances. - 2019. - Т. 5. - №. 5. - С. 57-90.

29. Kelly B. E. et al. Volumetric additive manufacturing via tomographic reconstruction //Science. - 2019. - Т. 363. - №. 6431. - С. 1075-1079.

30. Информация о торговой марке "FDM" [Электронный ресурс] // Trademarkia P.C. Official site. URL: https://trademark.trademarkia.com/fdm-74133656.html (дата обращения: 19.10.2020).

31. Bellini A., Shor L., Guceri S. I. New developments in fused deposition modeling of ceramics //Rapid Prototyping Journal. - 2005.

32. Khalil S., Nam J., Sun W. Multi-nozzle deposition for construction of 3D biopolymer tissue scaffolds //Rapid Prototyping Journal. - 2005.

33. Hausman K. K., Horne R. 3D printing for dummies. - John Wiley & Sons, 2014.

34. Jafari M. A. et al. A novel system for fused deposition of advanced multiple ceramics //Rapid Prototyping Journal. - 2000.

35. Sukindar N. A. et al. Analyzing the effect of nozzle diameter in fused deposition modeling for extruding polylactic acid using open source 3D printing //Jurnal Teknologi. - 2016. - Т. 78. - №. 10.

36. Расходные материалы для моделирования методом послойного наплавления (FDM/FFF) [Электронный ресурс] // 3D today. URL: https://3dtoday.ru/wiki/FDM_materials/ (дата обращения: 19.10.2020).

37. Pham D. T., Dimov S., Lacan F. Selective laser sintering: applications and technological capabilities //Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B: Journal of Engineering Manufacture. - 1999. - Т. 213. - №. 5. - c. 435-449.

38. Campanelli S. L. et al. Capabilities and performances of the selective laser melting process //New Trends in Technologies: Devices, Computer, Communication and Industrial Systems. - 2010. - Т. 1. - №. 1. - С. 233-252.

39. Kelly J. F. 3D printing: build your own 3D printer and print your own 3D objects. - Que Publishing, 2013.

40. Abe F. et al. The manufacturing of hard tools from metallic powders by selective laser melting //Journal of materials processing technology. - 2001. -Т. 111. - №. 1-3. - С. 210-213.

41. Lu L. et al. In situ formation of TiC composite using selective laser melting //Materials Research Bulletin. - 2000. - Т. 35. - №. 9. - С. 1555-1561.

42. Kruth J. P. et al. Selective laser melting of iron-based powder //Journal of materials processing technology. - 2004. - Т. 149. - №. 1-3. - С. 616-622.

43. Tagliaferri V. et al. Environmental and economic analysis of FDM, SLS and MJF additive manufacturing technologies //Materials. - 2019. - Т. 12. - №. 24. - С. 4161.

44. Heinl P. et al. Cellular titanium by selective electron beam melting //Advanced Engineering Materials. - 2007. - Т. 9. - №. 5. - С. 360-364.

45. Cormier D., Harrysson O., West H. Characterization of H13 steel produced via electron beam melting //Rapid prototyping journal. - 2004.

46. Noorani R. 3D printing: technology, applications, and selection. - CRC Press, 2017.

47. Rannar L. E., Glad A., Gustafson C. G. Efficient cooling with tool inserts manufactured by electron beam melting //Rapid Prototyping Journal. - 2007.

48. Зеленко М.А., Нагайцев М.В., Довбыш В.М. Аддитивные технологии в машиностроении. Пособие для инженеров // М.ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ». 2015.

49. Saleh E. et al. 3D inkjet printing of electronics using UV conversion //Advanced Materials Technologies. - 2017. - Т. 2. - №. 10. - С. 1700134.

50. Cannamela M. et al. Fabrication of Magnetic Polymer Nanocomposites Using Inkjet 3D Print Technology //NIP & Digital Fabrication Conference. -Society for Imaging Science and Technology, 2020. - Т. 2020. - №. 1. - С. 1-5.

51. Park J., Tari M. J., Hahn H. T. Characterization of the laminated object manufacturing (LOM) process //Rapid Prototyping Journal. - 2000.

52. Sonmez F. O., Hahn H. T. Thermomechanical analysis of the laminated object manufacturing (LOM) process //Rapid Prototyping Journal. - 1998.

53. Kalmanovich G. " Curved-Layer" Laminated Object Manufacturing //1996 International Solid Freeform Fabrication Symposium. - 1996.

54. Pham D. T., Gault R. S. A comparison of rapid prototyping technologies //International Journal of machine tools and manufacture. - 1998. - Т. 38. - №. 10-11. - С. 1257-1287.

55. Sachs E. et al. Three dimensional printing: rapid tooling and prototypes directly from a CAD model. - 1992.

56. Fayazfar H. et al. A critical review of powder-based additive manufacturing of ferrous alloys: Process parameters, microstructure and mechanical properties //Materials & Design. - 2018. - Т. 144. - С. 98-128.

57. Ligon S. C. et al. Polymers for 3D printing and customized additive manufacturing //Chemical reviews. - 2017. - Т. 117. - №. 15. - С. 1021210290.

58. e Costa E. C., Duarte J. P., Bartolo P. A review of additive manufacturing for ceramic production //Rapid Prototyping Journal. - 2017.

59. Zhang Y. et al. Additive manufacturing of metallic materials: a review //Journal of Materials Engineering and Performance. - 2018. - Т. 27. - №. 1. -С. 1-13.

60. Zhang F. et al. 3D printing technologies for electrochemical energy storage //Nano Energy. - 2017. - Т. 40. - С. 418-431.

61. Du W. et al. Binder jetting additive manufacturing of ceramics: A literature review //ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition. - American Society of Mechanical Engineers, 2017. - Т. 58493. -С. V014T07A006.

62. Upadhyay M., Sivarupan T., El Mansori M. 3D printing for rapid sand casting—A review //Journal of Manufacturing Processes. - 2017. - Т. 29. - С. 211-220.

63. 5-осевой станок с ЧПУ "Ethereal Halo" [Электронный ресурс] // Ethereal Machines .URL: https://www.etherealmachines.com/ethereal-halo-5-axis-cnc-machine (дата обращения: 23.10.2020).

165

64. Jasveer S., Jianbin X. Comparison of different types of 3D printing technologies //International Journal of Scientific and Research Publications (IJSRP). - 2018. - Т. 8. - №. 4. - С. 1-9.

65. ГОСТ Р 60.0.0.4 — 2019 "Роботы и роботехнические устройства. Термины и определения."

66. Reyhanoglu M. et al. Dynamics and control of a class of underactuated mechanical systems //IEEE Transactions on automatic control. - 1999. - Т. 44. - №. 9. - С. 1663-1671.

67. Friis D. Industrial robots-definition and classification //World Robotics. -2016. - С. 25-34.

68. XY tables: How do they differ from Cartesian and gantry systems? [Электронный ресурс] // Linear motion tips. URL: https://www.linearmotiontips.com/xy-tables-how-do-they-differ-^om-cartesian-and-gantry-systems/(дата обращения: 23.10.2020).

69. Switching from robot systems to Cartesian handling systems [Электронный ресурс] // Linear motion tips. URL: https://www.linearmotiontips.com/switching-robot-systems-cartesian-handling-systems/ (дата обращения: 23.10.2020).

70. Ultimaker 3D Printers [Электронный ресурс] // 3Dnatives. URL: https://www.3dnatives.com/en/3D-compare/ultimaker (дата обращения: 23.10.2020).

71. Compare Makerbot Printers [Электронный ресурс] // 3Dnatives. URL: https://www.3dnatives.com/en/3D-compare/makerbot (дата обращения: 23.10.2020).

72. What's the Difference Between Industrial Robots? [Электронный ресурс] // New Equipment Digest. URL: https://www.newequipment.com/industry-trends/article/22059066/whats-the-difference-between-industrial-robots (дата обращения: 23.10.2020).

73. 3D Printing with Yaskawa Robot [Электронный ресурс] // YouTube. URL: https://www.youtube.com/watch7v4n3oXbXlJTI (дата обращения: 23.10.2020).

74. Six-axis robot turns 3D printing into an art form [Электронный ресурс] // YouTube. URL: https://www.youtube.com/watch?v=NxgeESWS3z0 (дата обращения: 23.10.2020).

75. How to 3D Print - Dobot Magician [Электронный ресурс] // YouTube. URL: https://www.youtube.com/watch?v=xU1WU5OOY7g (дата обращения: 23.10.2020).

76. Робот с цилиндрической системой координат "ST Robotics. R19". [Электронный ресурс] // ST Robotics official site. URL: https://strobotics.com/cylindrical-format-robot.htm (дата обращения: 23.10.2020).

77. Робот с цилиндрической системой координат "PlateCrane EXTM Microplate Handler". [Электронный ресурс] // M Science. URL: https://www.mscience.com.au/view/microplate-handling-instruments (дата обращения: 23.10.2020).

78. UNIMATE. The First Industrial Robot [Электронный ресурс] // A tribute to joseph engelberger. URL: https://www.automate.org/a3-content/joseph-engelberger-unimate (дата обращения: 23.10.2020).

79. Nikita C. I. T. 3-D printer in polar coordinates : пат. 10780637 США. -2020.

80. Collaborative project with Dubai mylicipality [Электронный ресурс] // Apis Cor official site.. URL: https://www.apis-cor.com/dubai-project (дата обращения: 23.10.2020).

81. 3D-принтер "Alta Rotary 3D" [Электронный ресурс] // 3ders.org - 3D printer and 3D printing news. URL: https://www.3ders.org/articles/20140901-norwegian-startup-polarworks-to-bring-alta-rotary-3d-printer-to-kickstarter.html (дата обращения: 23.10.2020).

82. Selective, Compliance Articulated,Assembly Robot Arm Robots. [Электронный ресурс] // Midwest Engineered Systems. URL: https://www.mwes.com/scara-robots (дата обращения: 23.10.2020).

83. 3D-принтер "МФУ SkyOne" [Электронный ресурс] // Top 3D Shop. URL: https ://top3 dshop.ru/kupit-3 d-printer/hi-tech-workshop-skyone.html (дата обращения: 23.10.2020).

84. 3D-принтер "DOBOT M1" [Электронный ресурс] // Dobot official site. URL: https://www.dobot.cc/dobot-m1/product-overview.html (дата обращения: 23.10.2020).

85. McClinton E., Wylie B., Moore C. A. Creating a High and Homogenous Resolution Workspace for SCARA Based 3D Printers //IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. - IOP Publishing, 2019. - Т. 689. - №. 1. -С. 012021.

86. McQueen K. et al. Efficient path planning of secondary additive manufacturing operations //MATEC Web of Conferences. - EDP Sciences, 2018. - Т. 249. - С. 03011.

87. Bell C. 3D printing with delta printers. - Apress, 2015.

88. 3D- принтер "Dobot Mooz - 3" [Электронный ресурс] // Dobot official site. URL: https://www.dobot.cc/products/mooz-3-overview.html (дата обращения: 23.10.2020).

89. 3D printers ANYCUBIC [Электронный ресурс] // Anycubic. URL: https://www.anycubic.com/collections/3d-printers (дата обращения: 24.10.2020).

90. Balaji S., Murugaiyan M. S. Waterfall vs. V-Model vs. Agile: A comparative study on SDLC //International Journal of Information Technology and Business Management. - 2012. - Т. 2. - №. 1. - С. 26-30.

91. Кальчук М. С. Основные концепции моделирования проектов //Российское предпринимательство. - 2013. - №. 14 (236).

92. Ma Y. S., Chen G., Thimm G. Paradigm shift: unified and associative feature-based concurrent and collaborative engineering //Journal of Intelligent Manufacturing. - 2008. - Т. 19. - №. 6. - С. 625-641.

93. Friedrich J. et al. Das v-modell xt. - Springer Berlin Heidelberg, 2009. -С. 1-32.

94. Boehm B. W. A spiral model of software development and enhancement //Computer. - 1988. - Т. 21. - №. 5. - С. 61-72.

95. Kusiak A. (ed.). Concurrent engineering: automation, tools, and techniques. - John Wiley & Sons, 1993.

96. Chan L. W., Leung T. P. Spiral design model for consumer mechatronic products //Mechatronics. - 1996. - Т. 6. - №. 1. - С. 35-51.

97. Каримов А.И. Автоматизированное рабочее место проектировщика встраиваемых систем командных приборов. Каримов Артур Искандарович. Санкт-Петербург, 2017, 2017.

98. Berg J. C. SWiFT Software Quality Assurance Plan. - Sandia National Lab. (SNL-NM), Albuquerque, NM (United States), 2016. - №. SAND2016-0765.

99. Bochmann L. et al. Understanding error generation in fused deposition modeling //Surface Topography: Metrology and Properties. - 2015. - Т. 3. - №. 1. - С. 014002.

100. Anitha R., Arunachalam S., Radhakrishnan P. Critical parameters influencing the quality of prototypes in fused deposition modelling //Journal of Materials Processing Technology. - 2001. - Т. 118. - №. 1-3. - С. 385-388.

101. Zeng L., Zou X. Error analysis and experimental research on 3D printing //IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. - IOP Publishing, 2019. - Т. 592. - №. 1. - С. 012150.

102. Baumann F., Roller D. Vision based error detection for 3D printing processes //MATEC web of conferences. - EDP Sciences, 2016. - Т. 59. - С. 06003.

103. Gao Y. et al. Watching and safeguarding your 3D printer: Online process monitoring against cyber-physical attacks //Proceedings of the ACM on Interactive, Mobile, Wearable and Ubiquitous Technologies. - 2018. - Т. 2. -№. 3. - С. 1-27.

104. Ballyns J. J. et al. An optical method for evaluation of geometric fidelity for anatomically shaped tissue-engineered constructs //Tissue Engineering Part C: Methods. - 2010. - Т. 16. - №. 4. - С. 693-703.

105. Craeghs T. et al. Feedback control of Layerwise Laser Melting using optical sensors //Physics Procedia. - 2010. - Т. 5. - С. 505-514.

106. Kim C. et al. A study to detect a material deposition status in fused deposition modeling technology //2015 IEEE International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics (AIM). - IEEE, 2015. - С. 779-783.

107. Krauss H., Zeugner T., Zaeh M. F. Layerwise monitoring of the selective laser melting process by thermography //Physics Procedia. - 2014. - Т. 56. - С. 64-71.

108. Gunaydin K., Turkmen H. S. Common FDM 3D printing defects //International Congress on 3D Printing (Additive Manufacturing) Technologies and Digital Industry. - 2018.

109. Alsoufi M. S., Elsayed A. E. Warping deformation of desktop 3D printed parts manufactured by open source fused deposition modeling (FDM) system //Int. J. Mech. Mechatron. Eng. - 2017. - Т. 17. - №. 11.

110. Klipper. Resonance Compnsation [Электронный ресурс] // Welcome -Klipper documentation. URL: https://www.klipper3d.org/Resonance_Compensation.html (дата обращения: 24.10.2020).

111. You D. H. Optimal printing conditions of PLA printing material for 3D printer //The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers. -2016. - Т. 65. - №. 5. - С. 825-830.

112. Singh T., Singhose W. Input shaping/time delay control of maneuvering flexible structures //Proceedings of the 2002 American Control Conference (IEEE Cat. No. CH37301). - IEEE, 2002. - Т. 3. - С. 1717-1731.

113. Msallem B. et al. Evaluation of the dimensional accuracy of 3D-printed anatomical mandibular models using FFF, SLA, SLS, MJ, and BJ printing technology //Journal of Clinical Medicine. - 2020. - Т. 9. - №. 3. - С. 817.

114. 3D принтер Creality Sign T5 [Электронный ресурс] // Top 3D Shop. URL: https://top3dshop.ru/kupit-3d-printer/solidprint-t5.html (дата обращения: 25.11.2020).

115. Karimov A. I. et al. Advanced tone rendition technique for a painting robot //Robotics and Autonomous Systems. - 2019. - Т. 115. - С. 17-27.

116. Строительный 3D принтер Спецавиа АМТ S-300 [Электронный ресурс] // Top 3D Shop. URL: https://top3dshop.ru/kupit-3d-printer/amt-s-300.html (дата обращения: 25.11.2020).

117. 3D-принтер "The BOD" [Электронный ресурс] // COBOD - Modular 3D Construction Printers. URL: https://cobod.com/ (дата обращения: 25.11.2020).

118. 3D-принтер Anycubic 4Max Pro [Электронный ресурс] // Top 3D Shop. URL: https://top3dshop.ru/kupit-3d-printer/anycubic-4max.html (дата обращения: 25.11.2020).

119. 3D-принтер "Total Z Anyform" [Электронный ресурс] // Top 3D Shop. URL: https://top3dshop.ru/kupit-3d-printer/total-z-anyform-250-g3-2x.html (дата обращения: 25.11.2020).

120. 3D-принтер "Wanhao Duplicator i3" [Электронный ресурс] // Top 3D Shop. URL: https ://top3 dshop .ru/kupit-3 d-printer/wanhao-duplicator-i3 -v2-1.html (дата обращения: 25.11.2020).

121. 3D принтер Felix 3.0 [Электронный ресурс] // FELIXprinters. URL: https://3d-m.ru/3d-printer-felix-3-0-single-head/ (дата обращения: 25.11.2020).

122. 3D-принтер "Felix pro 3 highlights" [Электронный ресурс] // FELIXprinters. URL: https://www.felixprinters.com/pro-3-highlights/ (дата обращения: 25.11.2020).

123. Сущих А., Ануфриков П. T-FLEX Анализ—новая интегрированная среда конечно-элементных расчетов //САПР и графика. - 2004. - №. 9. - С. 46.

124. Verma G. Autodesk Fusion 360 Black Book. BPB Publications, 2018.

125. Ribeiro G. S., Silveira Z. C. Structural and modal analysis of a desktop 3D printer considering an interchangeable mini screw extrusion head.

126. Pilch Z., Domin J., Szlapa A. The impact of vibration of the 3D printer table on the quality of print //2015 Selected Problems of Electrical Engineering and Electronics (WZEE). - IEEE, 2015. - С. 1-6.

127. Zhang D. et al. Optimization of vibration characteristics of fused deposition modeling color 3D printer based on modal and power spectrum method //Applied Sciences. - 2019. - Т. 9. - №. 19. - С. 4154.

128. Srivastava A. et al. Vibration Analysis of Cantilever shaped 3D printers //IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. - IOP Publishing, 2019. - Т. 594. - №. 1. - С. 012020.

129. Stejskal T. et al. Measurement of static stiffness after motion on a three-axis CNC milling table //Applied Sciences. - 2017. - Т. 8. - №. 1. - С. 15.

130. Labuschagne A., van Rensburg N. F. J., van der Merwe A. J. Comparison of linear beam theories //Mathematical and Computer Modelling. - 2009. - Т. 49. - №. 1-2. - С. 20-30.

131. Karimov A. I. et al. Integrate-and-Differentiate Approach to Nonlinear System Identification //Mathematics. - 2021. - Т. 9. - №. 23. - С. 2999.

132. Fu Z. F., He J. Modal analysis. - Elsevier, 2001.

133. Rosenberg R. M. Normal modes of nonlinear dual-mode systems. - 1960.

134. Peter S., Schreyer F., Leine R. I. A method for numerical and experimental nonlinear modal analysis of nonsmooth systems //Mechanical Systems and Signal Processing. - 2019. - Т. 120. - С. 793-807.

135. Семин М. И. Расчеты соединений элементов конструкций из полимерных материалов на прочность и долговечность. - 2016.

136. List of firmware [Электронный ресурс] // RepRap. URL: https ://reprap. org/wiki/List_of_Firmware# Smoothie (дата обращения: 02.12.2020).

137. Симулятор роботов "RoboDK". [Электронный ресурс] // RoboDK: Simulator for industrial robots and offline programming. URL: https://robodk.com/ (дата обращения: 02.12.2020).

138. Robotics simulator [Электронный ресурс] // Wikipedia. URL: https://en.wikipedia.org/wiki/Robotics_simulator (дата обращения: 02.12.2020).

139. Lindemeier T. et al. Hardware-Based Non-Photorealistic Rendering Using a Painting Robot //Computer graphics forum. - 2015. - Т. 34. - №. 2. -С. 311-323.

140. Vangobot [Электронный ресурс] // Vangobot - Gurney Journey. URL: http://gurneyjourney.blogspot.com/2012/12/vangobot.html (дата обращения: 02.12.2020).

141. Winner of the 2018 robot art prize. [Электронный ресурс] // Design — a.i. art blog — Pindar Van Arman's cloudpainter. URL: http://www.cloudpainter.com (дата обращения: 04.12.2020).

142. Gooch A. A. et al. Viewing progress in non-photorealistic rendering through Heinlein's lens //Proceedings of the 8th International Symposium on Non-Photorealistic Animation and Rendering. - 2010. - С. 165-171.

143. Round shaft or profiled rail for linear motion? [Электронный ресурс] // Linear Motion Tips. URL: https://www.linearmotiontips.com/round-shaft-or-profiled-rail-how-to-choose/ (дата обращения: 04.12.2020).

144. Arduino due [Электронный ресурс] // Arduino official site. URL: https://store.arduino.cc/usa/due (дата обращения: 04.12.2020).

Приложение А

____-__ .__

[тЩ рттт| Г777!

Ж ^

[ГШ] ГГШ-| [Жл

Д1± ,_, . 1_1

Г7777! НИИ НЛП

Приложение Б

Приложение В

Примеры нереализованных кинетических схем 3D-принтеров согласно систематизации, представленной в главе 2. Таблица 2.2:

®

©

© ®

Таблица 2.5:

® ®

Таблица 2.6:

1S3

Приложение Г

g = 9.8;

A = {'monobeam1Ylong' ; ; 'monobeam2Yshort' }; name = { A{:,1}};

N 1 = 0;% номер начального эксперимента

N 2 = 10;% номер конечного эксперимента

N s = 4; %количество экспериментов

Nexp = 11; %series, no of entries

F = 1000; % Sampling frequency, Hz

T = 1/F; % Sampling period, sec

f1span = zeros(N_s,Nexp); %frequency of the lower mode,

dataset 1

fmin = 3;

fmax = 60; %maximal value of frequency for 1st mode filtlen = 1; %parameter of median filter

N0 = 1; %no of first element where search for the lowers

frequency starts

fs_Verh1_X = cell(N_s,Nexp);

P1s_Verh1_X = cell(N_s,Nexp);

k = zeros(N_s,Nexp);

W = zeros(N_s,Nexp);

figure(2 0); for i = 1:N_s

for j=N_1:N_2

fileID =

fopen([pwd,name{1,i},num2str(j),'.txt'],'r');%use pwd for identifying current folde formatSpec = '%f';

x_Verh1_X = fscanf(fileID,formatSpec); %read signal

values

x_Verh1_X = g*x_Verh1_X; % transform to m/sec2 Ls_Verh1_X = length(x_Verh1_X); % Length of the

signal

ts_Verh1_X = (0:Ls_Verh1_X - 1)*T; % Time series for signal

% calculate spectrum

fs_Verh1_X_0 = F*(0:(Ls_Verh1_X/2))/Ls_Verh1_X; % frequency domain

fs_Verh1_X{j+1,i} = fs_Verh1_X_0;

Листинг 2

'monobeam2Ylong'; 'monobeam1Yshort'

Y = fft(x_Verh1_X);

P2 = abs(Y/Ls_Verh1_X); % 2-sided spectrum Pls_Verh1_X_0 = P2(1:Ls_Verh1_X/2+1); % 1-sided

spectrum

P1s_Verh1_X_0(2:end-1) = 2*P1s_Verh1_X_0(2:end-1); % power spectrum

P1s_Verh1_X_0 = medfilt1(P1s_Verh1_X_0,filtlen);

P1s_Ve rh1_X{j+1,i} = P1s_Verh1_X_0; %find maxima

Plen = length(P1s_Verh1_X_0);

N2 = ceil(Plen*2*fmax/F); %number of points for searching 1st mode

N1 = ceil(Plen*2*fmin/F); y = P1s_Verh1_X_0(N1:N2); [~,I] = max(y); x = fs_Verh1_X_0(N1:N2); f1span(j+1,i) = x(I); M = [0.21 0.21 0.168 0.168]; L = [0.203 0.203 0.15 0.15]; W (j+1,i) = f1span(j+1,i)*2*pi; k (j+1,i) = (L(i) * W(j+1,i))A2 *M(i); fclose (filelD) ;

end

%show the last time series

figure(2 0);

subplot(N_s,1,i);

plot(t s_Ve rh1_X,x_Ve rh1_X) ;

xlabel('$t$, (sec)'interpreter','latex');

ylabel ('$a$, (m/sec$A2$) ', 'interpreter', 'latex');

set(gca,'TickLabellnterpreter','latex');

title(name{1,i});

%show the last spectre

figure(21);

subplot(N_s,1,i);

P1 = P1s_Verh1_X{1,i}; L1 = length(P1); ctr = 1;

for j = N_1+1:N_2

if length(P1s_Verh1_X{j,i}) == L1 P1 = P1 + P1s_Verh1_X{j,i}; ctr = ctr + 1;

end

P1 = P1 / ctr; %average spectre fs = fs_Verh1_X{1,i};

plot (fs (1:ceil(L1/5) ),movmean(P1(1:ceil(L1/5)),5)); xlabel ('$f$ (Hz) ', 'interpreter', 'latex'); ylabel('$\|P_1(f)\|$','interpreter','latex'); set(gca,'TickLabellnterpreter','latex'); title (i);

end

%show spectrum for j =1:N_s

figure(j); hold on for i = N_1+1:N_2+1

plot(fs_Verh1_X{i,j},P1s_Verh1_X{i, j},'-','Linewidth',1);

title(['x',num2str(i)]);% вправо влево

end

%title([name,j]);% вправо влево title(name{1,j});

%legend('x0', 'x10', 'x20', 'x30', 'x40', 'x50', 'x60', 'x70', 'x80 ','x90','x100','x110','x12 0','x130','x140','x150','x160','x 170','x180','x190');

xlabel ('$f$ (Hz) ', 'interpreter', 'latex'); ylabel('$\|P_1(f)\|$','interpreter','latex'); set(gca,'TickLabellnterpreter','latex');

end

f1span = sort(f1span); fmspan_mean = mean(f1span,1); fmspan_std = std(f1span,1); k = sort(k) ; k_mean = mean(k,1); k_std = std(k,1);

%t = 1.363;% t = 90% табличное значение

%t = 0.876;% t = 8 0%

t = 1.796;% t = 95%

%t = 2.718;% t = 99%

T_stud = zeros(2,N_s);

T_stud_k = zeros(2,N_s);

for i =1:N_s

%disp(fmspan_std(i) ) Norm =

normpdf(f1span(:,i),fmspan_mean(i),fmspan_std(i));

%Stud = tpdf(f1span(:,i),Nexp); figure(N_s+i); plot (flspan(:,i), Norm); T_stud(1,i) =

fmspan_mean(i)+t*fmspan_std(i)/sqrt(Nexp);% верхняя граница

T_stud(2,i) = fmspan_mean(i)-t*fmspan_std(i)/sqrt(Nexp);% нижняя

T_stud_k(1,i) = k_mean(i)+t*k_std(i)/sqrt(Nexp);% верхняя граница

T_stud_k(2,i) = k_mean(i)-t*k_std(i)/sqrt(Nexp);% нижняя

xll =xline(T_stud(1,i),'--r', {'t = 95%'}); xl2 =xline(T_stud(2,i),'--r',{'t = 95%'}); xl1.LabelVerticalAlignment = 'middle'; xl1.LabelHorizontalAlignment = 'center'; xl2.LabelVerticalAlignment = 'middle'; xl2.LabelHorizontalAlignment = 'center'; title(name{1,i});

disp (name{1,i}) disp(fmspan_mean(i))

disp(T_stud(1,i) - fmspan_mean(i)) disp('K :' disp(k_mean (i))

disp ( T_stud_k(1,i) - k_mean(i))

end

plot(Z,fmspan,'-');

xlabel ( '$Z$ (mm) ' , 'interpreter', 'latex'); ylabel('$f$ (Hz)','interpreter','latex'); legend('Y sensor on carriage','Y sensor on frame hit old','Y sensor on frame hit new'); legend(name);

legend('f1','f2','f3','f4','f5','f6','f7','middle');

Приложение Д