Details

Работа посвящена разработке методов и алгоритмов оптимизации работы строительного 3D-принтера S-6044, направленных на повышение эффективности процесса аддитивного строительства. В ходе исследования проведён анализ цифрового конвейера строительной 3D-печати, выявлены ключевые проблемные зоны, связанные с фрагментацией процесса между этапами CAD, CAM и исполнения. Сформулирована задача оптимизации как минимизация целевой функции, учитывающей перерасход материала, время печати и отклонение геометрии. В работе предложена математическая модель процесса экструзии применительно к принтеру модели S-6044. Модель объединяет несколько компонентов: описание инерционного поведения материала внутри шнека, зависимость между толщиной наносимого слоя и скоростью перемещения печатающей головы, учёт геометрических искажений при прохождении угловых участков, а также соотношение для расхода полимерной массы. Разработаны и протестированы алгоритмы, оптимизирующие G-код. В их функции входит автоматическое отключение экструзии на холостых перемещениях, подстройка высоты слоя, сглаживание траекторий движения, оперативная корректировка скорости и рациональное упорядочивание слоев. На языке программирования Python реализован программный модуль, который встраивается в существующий цифровой конвейер и не требует аппаратной части печатающего устройства. Экспериментальная проверка подтвердила практическую пользу разработанных алгоритмов. По результатам испытаний сократились: перерасход сырья для печати, время печати, время подготовительных операций, а точность позиционирования возросла. Технико-экономическая оценка показала, что внедрение модуля оптимизации позволяет сократить общие затраты на 30.6% и окупается через 0.9 месяца при среднем объеме работ 150 м² в месяц. Практическая значимость работы заключается в возможности применения разработанных методов и алгоритмов для повышения экономической эффективности и качества печати на существующих портальных строительных 3D-принтерах без дорогостоящей модернизации оборудования.

The work is devoted to the development of methods and algorithms for optimizing the operation of the S-6044 construction 3D printer, aimed at improving the efficiency of the additive construction process. During the research, an analysis of the digital pipeline of construction 3D printing was conducted, revealing key problem areas related to the fragmentation of the process between CAD, CAM, and execution stages. The optimization problem was formulated as the minimization of an objective function considering material overconsumption, printing time, and geometric deviation. A mathematical model of the extrusion process for the S-6044 printer was developed, including a model of material inertia in the screw, a model of layer thickness dependence on movement speed, a model of geometric deviations when passing corners, and a material consumption model. Verification of the mathematical model based on experimental data confirmed its adequacy and applicability for practical calculations. Optimization algorithms for G-code were created, providing automatic extrusion pause during idle movements, layer height correction, trajectory smoothing, dynamic speed correction, and layer sequence optimization. A Python-based optimization software module was implemented, which integrates into the existing digital pipeline without modifying the printers hardware. Experimental studies confirmed the effectiveness of the developed algorithms: reduction of material overconsumption by 12.2-13.8%, improvement of positioning accuracy by 34.9-38.5%, reduction of printing time by 12.4-13.8%, and preparation time by 88.3%. Technical and economic assessment showed that the implementation of the optimization module reduces total costs by 30.6% and pays off in 0.9 months with an average workload of 150 m² per month. The practical significance of the work lies in the possibility of applying the developed methods and algorithms to improve economic efficiency and print quality on existing portal construction 3D printers without costly equipment modernization.