Moritz Kunze Master Seminar SS 2014 Mehrkopf 3D-Druck Algorithmen und Hardware.

Präsentation zum Thema: "Moritz Kunze Master Seminar SS 2014 Mehrkopf 3D-Druck Algorithmen und Hardware."—  Präsentation transkript:

1 Moritz Kunze Master Seminar SS 2014 Mehrkopf 3D-Druck Algorithmen und Hardware

2 1Das Problem 2von 21 Moritz Kunze | Mehrkopf 3D-Druck26.05.2014 3D-Druck ist „langsam“ Objekte werden in Ebenen unterteilt Ebenen werden mit schmalen Linien gefüllt Schon simple Objekte benötigen Stunden Geschwindigkeit durch Technologie und Material eingeschränkt

3 2Inhalt 3 B Tools und Visualisierung (Christian Nienhaus) Im Anschluss von 21 Moritz Kunze | Mehrkopf 3D-Druck26.05.2014 A Hardware und Algorithmen (Moritz Kunze) Grundlagen Erweiterung vorhandene Hardware Algorithmen für die Parallelisierung

4 3Der FDM 3D-Druck I 4von 21 Moritz Kunze | Mehrkopf 3D-Druck26.05.2014 Fused Deposition Modeling (Schmelzschichtung) Schichtweiser Aufbau ABS-Kunststoff oder organisches PLA Extruder verflüssigt das Material und trägt es auf

5 4Der FDM 3D-Druck II 5von 21 Moritz Kunze | Mehrkopf 3D-Druck26.05.2014 Drucker variieren in Größe und Genauigkeit 3-Achsen Bewegung µC als Steuereinheit Schrittmotoren Dateneingabe über SD-Karte Temperaturregelung für Extruder Filament 4. Achse

6 5Der G-Code 6von 21 Moritz Kunze | Mehrkopf 3D-Druck26.05.2014 3D-Drucker sind prinzipiell CNC-Maschinen mit 4-Achsen + Heizung Anweisungsliste Zeit indirekt enthalten durch Geschwindigkeitsdefinition Befehle für Konfiguration (Einheiten, Nullpunkt, Heizungstemperatur) Befehle für Bewegungen (Linien, Kreise, relativ und absolut) Beispiele: F2000  Feedrate auf 2000 Einheiten pro Minute G1 X1.0 Y10.0 Z0.0 E0.0  Der Kopf fährt zu den Koordinaten X=1 Y=10 Z=0 und E=0 F350  Feedrate auf 350 E/Min für Druckvorgang G1 X1.0 Y12.0 Z0.0 E1.0  Bewegen auf der Y-Achse +2 und Material +1 G1 X1.0 Y12.0 Z1.0 E1.0  Wechsel auf eine höhere Ebene Z=1 G1 X1.0 Y10.0 Z1.0 E2.0  Wie Schritt 4 (nur rückwärts)

7 6Geschwindigkeit 7von 21 Moritz Kunze | Mehrkopf 3D-Druck26.05.2014 Gedruckte Linien „Reisen“ zwischen einzelnen Linien Zeit = (LinienLänge * LinienGeschwindigkeit) + (ReiseLänge * ReiseGeschwindigkeit) Slicer optimiert den Ablauf

8 7Parallelen zur Halbleitertechnologie 8von 21 Moritz Kunze | Mehrkopf 3D-Druck26.05.2014 Halbleitertechnologie Taktraten werden durch die Physik eingeschränkt Parallelisierung von Architektur und Aufgaben Ressourcenmanagement nötig (Kollisionen, Deadlocks) 3D Druck Der einzelne Druckvorgang kann nicht beschleunigt werden Eine Mehrzahl von gleichzeitig aktiven Druckköpfen möglich? Parallelisierung der Anweisungsliste durchführbar? Kollisionen verhindern

9 8Einschränkungen 9von 21 Moritz Kunze | Mehrkopf 3D-Druck26.05.2014 Mechanisch Keine beliebig hohe Anzahl von Köpfen möglich Köpfe können kollidieren Kalibrierung und Z-Versatz  2 Druckköpfe zunächst sinnvoll Material Strukturschwächung bei schlechter Teilung „Auslaufen” der Extruder in Pausen Außenlinien ungleichmäßig durch häufige Unterbrechung  Die Parallelisierung muss angepasst sein

10 9Vorhandene Lösungen 10von 21 Moritz Kunze | Mehrkopf 3D-Druck26.05.2014 Multiple Farben Duplizierende Technologien

11 10Vorhandene Hardware und Erweiterung 11von 21 Moritz Kunze | Mehrkopf 3D-Druck26.05.2014 RepRap X400 Z-Achse mit Plattform realisiert Y-Achse als Traverse X-Achse Kopf auf Traverse Z-Achse nicht erweiterbar Y-Achse erweiterbar mit Traverse X-Achse erweiterbar mit 2. Kopf 2. Traverse verfügbar im Labor

12 11Parallelisierungsansätze 12von 21 Moritz Kunze | Mehrkopf 3D-Druck26.05.2014 2 Köpfe auf einer Traverse Gemeinsame Y-Achse Sinnvoll für 2 identische Objekte 2 Traversen Gemeinsame Z-Achse Unterschiedliche Wege möglich Räumliche Trennung der Aufgaben notwendig Beschreibung für Kollisionsvermeidung Sperrbereiche für Köpfe als Hitboxen Prüfung über bewährte Algorithmen und Transformationen Generelle Beschreibung schwierig

13 12Workflow 13von 21 Moritz Kunze | Mehrkopf 3D-Druck26.05.2014 STL- Objekt Slicer GCode Printer STL- Objekt Slicer GCode Printer 1 Scheduler GCode Printer 2 STL- Objekt Slicer GCode Printer 1 GCode Printer 2 Scheduler Smart Slicer

14 13Brute Force? 14von 21 Moritz Kunze | Mehrkopf 3D-Druck26.05.2014 Sammlung von allen möglichen Bewegungskombinationen Entfernen von Lösungen mit Kollisionen Auswahl der Lösung mit dem besten Zeitverhalten Ebene mit 43 Linien Anzahl der Bewegungskombinationen bei einem Kopf: 43! 43! ~ 60415263063373835637355132068513997507264512000000000 Problem des Handelsreisenden Der Slicer liefert ein optimiertes Ergebnis Proof of Concept für Arbeitsteilung: Umverteilung Java, Einfacher Gcode-Parser/Generator Neuzuweisung von einzelnen Anweisungen

15 14Arbeitsteilung I 15von 21 Moritz Kunze | Mehrkopf 3D-Druck26.05.2014 Getrennte Aufgabengebiete Ebene analysieren, Statistiken über Bewegungen erstellen 1. virtuelle Mittellinie ziehen 2. Arbeit aufteilen Linien unterhalb der Mittellinie an Kopf 1 Linien oberhalb der Mittellinie an Kopf 2 3. Linien, welche die Mittellinie schneiden an Kopf 1

16 15Arbeitsteilung II 16von 21 Moritz Kunze | Mehrkopf 3D-Druck26.05.2014 Gleitende Aufgabengebiete Zeitabhängig Synchronisierung Bessere Arbeitsteilung

17 16Objektgröße und Eigenschaften I 17von 21 Moritz Kunze | Mehrkopf 3D-Druck26.05.2014 Ergebnis ist extrem abhängig von der Vorarbeit des Slicers Linien parallel zu der Y-Achse lassen sich schlecht parallelisieren Kleine Objekte bieten wenig Raum für Zusammenarbeit Beispiel 1: Gordischer Knoten total dist 128.875 total time 4.029s layers: 147 Solving.... 1: total dist 86.491 total time 2.718s 2: total dist 48.165 total time 1.426s approx speedup without travel: 1,48 Loadbalance H1/H2: 1,80 Scale 1 total dist 1.938.087 total time 54.983s layers: 433 Solving.... 1: total dist 1.176.377 total time 33.639s 2: total dist 794.448 total time 21.998s approx speedup without travel: 1,63 Loadbalance H1/H2: 1,48 Scale 2.5

18 17Objektgröße und Eigenschaften III 18von 21 Moritz Kunze | Mehrkopf 3D-Druck26.05.2014 Räumlich auseinanderwachsende Objekte profitieren Beispiel 2: Eiffelturm (Teil) total dist 799.008 total time 26.274s layers: 312 Solving.... 1: total dist 445.753 total time 14.572s 2: total dist 360.875 total time 11.855s approx speedup without travel: 1,80 Loadbalance H1/H2: 1,24 Echter Speedup: 539s / 275s = 1,96

19 18 Ausblick 19von 21 Moritz Kunze | Mehrkopf 3D-Druck26.05.2014 Speedup über Faktor 2 hinaus möglich Kalibrierung mit Kontaktpunkten Problem der mechanischen Präzison verbleibt Angepasster Slicer Bessere Aufgabenplanung im Vorfeld Vorhandene Slicer in Python und Java Umfeld STL- Objekt Slicer GCode Printer 1 GCode Printer 2 Smart Slicer

20 19Zusammenfassung 20von 21 Moritz Kunze | Mehrkopf 3D-Druck26.05.2014 Hardwareerweiterung ist möglich Parallelisierung von identischen Objekten erprobt Aufgabenplanung für kooperative Zusammenarbeit muss weiter erarbeitet werden Kollisionserkennung und -vermeidung im Vorfeld notwendig Algorithmen und Objekteigenschaften bestimmen den Speedup Kollisionserkennung zur Laufzeit notwendig Kalibrierung und präzise Konstruktion erforderlich

21 21von 21 Moritz Kunze | Mehrkopf 3D-Druck26.05.2014 Danke für Ihre Aufmerksamkeit