Scheduling of Polymer Additive Manufacturing Processes – a Systematic Literature Review and Theoretical Framework

Abstract

O sequenciamento de lotes de Fabrico Aditivo (FA) pode ser considerado um tópico relativamente recente, apesar do progresso da última década e do aumento do corpo de trabalho que aborda o FA. As vantagens do FA estão relacionadas com a redução de custos, redesenho do produto, sustentabilidade ambiental. Desta forma, uma vez que o sequenciamento visa otimizar a distribuição de trabalhos e alocar os recursos necessários, mostra-se pertinente estudar problemas de sequenciamento com o processo de FA por meio de ferramentas de otimização.Nesta tese é apresentado um amplo enquadramento teórico sobre tecnologias de FA de polímeros e problemas de sequenciamento. Este enquadramento teórico apoiou a elaboração de uma estrutura de classificação e suporte à decisão para caracterizar diferentes tecnologias de FA e uma revisão sistemática da literatura composta por 20 artigos de pesquisa sobre problemas de sequenciamento de FA de polímeros, que foram organizados de acordo com: objetivos, incerteza, formulação de modelo, método de solução, configuração de chão de fábrica, classificação de problemas, nesting, processo FA e método de avaliação.Há uma variedade considerável de recursos que devem ser considerados ao se ponderar as diferentes tecnologias de FA. A estrutura de suporte à decisão oferece informações detalhadas e organizadas sobre os principais pontos fortes e limitações das características, custos, recursos do processo e propriedades físicas das peças produzidas. Além disso, as tecnologias de FA emergentes são examinadas em detalhes.Também foi possível entender o estado da arte dos problemas de sequenciamento de FA. Por exemplo, há preferências de estudo em relação ao tipo de classificação de problema usado, sequenciamento centralizado, e a categoria de processo de FA mais estudada, Powder Bed Fusion. É notável que metade dos trabalhos de pesquisa simplificam o problema de nesting agrupando peças em builds com base na capacidade máxima do volume da peça e raramente validam os seus modelos por meio de casos de estudo.Além disto, é proposto um conjunto de projetos futuros com o objetivo de melhorar a pesquisa de sequenciamento FA de polímeros. As oportunidades de pesquisa identificadas incluem: novos enunciados de problemas de uma categoria de processo de FA nunca considerada, o Material Jetting, a incerteza nos modelos matemáticos, uma classificação de problemas diferente de sequenciamento centralizado – como sequenciamento descentralizado ou Cloud Manufacturing – e 3D na dimensionalidade da orientação da peça.

Scheduling of Additive Manufacturing's (AM) processes can be considered a relatively recent topic, despite the last decade's progress and an increase in the body of work addressing AM. Since AM advantages are related to cost reduction, product redesign and environmental sustainability, and scheduling aims to optimise the distribution of jobs and allocate the necessary resources, studying scheduling problems with AM process through optimisation tools is very pertinent.In this work, an extensive theoretical background on AM polymer technologies and scheduling problems is introduced. This background supported the elaboration of a classification and decision-support framework for characterising different AM technologies and a systematic literature review of 20 research articles regarding AM scheduling polymers problems that was organized according to: objectives, uncertainty, model formulation, solution method, shop configuration, problem classification, nesting, AM process and assessment method.There is a considerable variety of features that must be accounted for while considering different AM technologies. The decision-support framework offers detailed and organised information on the main strengths and limitations of polymer AM technologies characteristics, costs, process features and physical properties of the produced parts. In addition, emergent AM technologies and applications are examined in detail. It was also possible to understand the state of the art of AM scheduling problems. For example, centralised scheduling is the prefered type of problem classification used, and Powder Bed Fusion the most studied AM process category. Remarkably, half of the research works simplify the nesting problem by clustering parts into builds based on the maximum capacity of part volume and rarely validate their models through case studies. In addition, a set of future projects aimed to enhance polymer AM scheduling research are proposed. The research opportunities identified included new statement problems of a never considered AM process category, the Material Jetting process. Furthermore, adding uncertainty to the mathematical models, problem classification other than centralised scheduling, such as decentralised or cloud manufacturing scheduling, and considering 3D in the dimensionality of the part orientation.