Over het genereren van snijpaden voor lasersnijmachines

Lasersnijden is één van de belangrijke bestaande snijprocessen die gebruikt worden om plaatstaalproducten te produceren. Een typisch productieproces bestaat uit het ontwerpen van de stukken, het nesten van de stukken op metalen platen, het snijden van de stukken en indien het gaat om driedimensionale stukken: het plooien van de stukken. Er bestaan geïntegreerde methoden voor productieplanning om de totale kost voor het gehele productieproces te minimaliseren. Eén van de resultaten van zulke methoden is de toewijzing van stukken aan metaalplaten waarna een CAM software de eigenlijke nesting uitvoert en het snijpad bepaalt. Bij plaatmetaal kan het lasersnijden enkele minuten tot enkele uren duren, afhankelijk van het aantal stukken op de plaat, het materiaal, de plaatdikte, de procesparameters en de lasersnijmachine. Huidige CAM programmas gebruiken heel simpele heuristieken om snijpaden te genereren en brengen bijgevolg niet alle technische beperkingen in rekening. Technische beperkingen zijn bijvoorbeeld inbrandkosten, bruggen, pre-cuts, scherpe-hoekkosten, skeletsnedes, de plaatrand en klemposities, botsingen, padpatronen en thermische effecten.

Dit doctoraatsonderzoek heeft als doel om snelle en effectieve algoritmes te ontwikkelen om snijpaden te genereren voor lasersnijmachines. Deze algoritmes dienen alle technische beperkingen expliciet in rekening te brengen. Het snijpadprobleem zonder thermische beperkingen wordt gemodelleerd als een veralgemeend handelsreizigersprobleem (Generalized Traveling Salesman Problem - GTSP). Een tabu search metaheuristiek wordt voorgesteld die in een korte tijd snijpaden kan bepalen voor dunne platen waar er minder technische beperkingen aan bod komen. Voor dikke platen wordt deze methode te traag bevonden en werd een set snelle constructieheuriestieken ontwikkeld die de specifieke structuur van lasersnijpadproblemen uitbuiten. Door op een nieuwe manier snijpaden voor te stellen kunnen veelbelovende lokale verbeteringen gemakkelijker geïdentificeerd worden. Verder zorgt deze nieuwe voorstelling ervoor dat het probleem zich op een natuurlijke manier opsplitst in twee goed gekende deelproblemen: het GTSP en het gewortelde directionele minimaal opspannende boom probleem (Rooted Directed Minimum Spanning Tree -RDMST). Een verbeteringsheuristiek die iteratief GTSPs, RDMSTs en een lokale verbeteringsfase uitvoert werd ontwikkeld en positief geëvalueerd. 

Een eindige differentie methode (Finite Difference Method - FDM) wordt toegepast om de thermische effecten tijdens het lasersnijden te evalueren. We tonen aan dat een FDM strategie de thermische effecten voldoende nauwkeurig kan inschatten binnen aanvaardbare rekentijden. Deze FDM werd gebruikt om een multi-startheuristiek te bouwen waarbij in elke iteratie thermische strafpunten worden toegekend op basis van eerder gevonden thermische fouten. 

Het onderzoek toont verder aan dat veel van de extra technische beperkingen door het model verwerkt kunnen worden mits kleine voorbereidende berekeningen
of dat ze effectief kunnen aangepakt worden in een post-optimalisatiephase.