Bokhamseen, Ahmed (2026) Toolpath Generation and Comparative Analysis of Slicing Strategies for Multi-Axis Robotic Additive Manufacturing. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Ahmed_Bokhamseen_Thesis.pdf Restricted to Repository staff only until 25 October 2027. Download (5MB)

Arabic Abstract

تبحث هذه الرسالة في استراتيجيات التقطيع الطبقي وتوليد مسارات الأداة للتصنيع الإضافي الروبوتي متعدد المحاور باستخدام أذرع روبوتية صناعية ذات ست درجات حرية. وتهدف إلى تطوير سير عمل متكامل يمتد من النموذج الهندسي بصيغة «إس تي إل» إلى حركة الروبوت، وإلى تقييم تأثير استراتيجيات التقطيع المختلفة على خصائص مسار الأداة، بما في ذلك استمرارية المسار، والمطابقة الهندسية، وسلوك التوجيه، وقابلية التنفيذ الروبوتي، وذلك باستخدام معايير كمية، والمحاكاة، والتنفيذ التجريبي دون ترسيب المادة، والطباعة الفعلية. تجري المقارنة بين أربع استراتيجيات للتقطيع الطبقي: (١) التقطيع المستوي التقليدي كأساس مرجعي، (٢) التقطيع القائم على مسار الاكتساح المعتمد على مسار موجّه يوفره المستخدم، (٣) التقطيع الموجّه بالمسار المركزي، حيث يُستخرج المسار الموجّه تلقائيًا من النموذج، (٤) التقطيع القائم على الهيكل الفوكسلي، حيث يُستخرج خط المنتصف من خلال التحويل الفوكسلي واستخلاص الهيكل. نُفِّذ التقطيع وتوليد مسارات الأداة في برنامج «مات لاب»، وتم التحقق منها في برنامج «روبو دي كيه»، وطُبعت الاستراتيجيات الأربع جميعها فعليًا على الذراع الروبوتية «يو آر ٥ إي» من خلال منظومة تنفيذ مخصصة مبنية بلغة «بايثون»، مع إجراء تحقق تجريبي دون ترسيب المادة على روبوتين صناعيين إضافيين. يُظهر التقييم على أربعة نماذج هندسية معيارية أن الاستراتيجيات تتقارب في الأجزاء المنشورية المستقيمة وتتباين بمجرد انحناء خط المنتصف. فالاستراتيجية المستوية الأساسية هي الأسرع وتحافظ على الاستمرارية، لكنها لا تستطيع تتبّع الجدران المنحنية، ويُظهر الجزء المطبوع بها تهدلًا عند البروزات غير المدعومة. أما الاستراتيجية القائمة على مسار الاكتساح فهي مستمرة بحكم بنائها، لكنها تتطلب المسار الموجّه كمدخل. وتفقد الاستراتيجية الموجّهة بالمسار المركزي استمراريتها على الأشكال المنحنية بسبب مرحلة ترتيب المحيط فيها. وتُعد الاستراتيجية القائمة على الهيكل الفوكسلي الاستراتيجية التلقائية الوحيدة التي حافظت على الاستمرارية والدقة في جميع الحالات، وإن كان ذلك بأعلى كلفة حسابية، وقد أنتجت أنظف جزء مطبوع. وفي الختام، يُقدّم هذا البحث تحديدًا كميًا للموازنات بين الدقة والاستمرارية واستقرار التوجيه والكلفة الحسابية، ويتحقق من صحة المقارنة الافتراضية مقابل الأجزاء المطبوعة فعليًا، ويوفر إطارًا منهجيًا لتقييم استراتيجيات التقطيع الطبقي في التصنيع الإضافي الروبوتي.

English Abstract

This thesis investigates slicing and toolpath generation strategies for multi-axis robotic additive manufacturing (RAM) with 6-degree-of-freedom industrial manipulators. The aim is to develop an integrated workflow from STL geometry to robot motion and to evaluate how different slicing strategies influence toolpath characteristics, including path continuity, geometric conformity, orientation behavior, and robotic executability, using quantitative criteria, simulation, dry-run execution, and physical printing. Four slicing strategies are compared: (i) conventional planar slicing as a baseline, (ii) sweep-path-based slicing driven by a user-provided guide path, (iii) central-path-driven slicing, where the guiding path is extracted automatically from the model, and (iv) voxel-skeleton-based slicing, where the centerline is obtained through voxelization and skeletonization. Slicing and toolpath generation are implemented in MATLAB and verified in RoboDK Software, and all four strategies are physically printed on a UR5e manipulator through a custom Python-based execution pipeline, with dry-run validation also performed on two additional industrial robots. The evaluation on four benchmark geometries shows that the strategies converge on straight prismatic parts and separate once the centerline curves. The planar baseline is fastest and continuous but cannot follow curved walls, and its printed part sags at unsupported overhangs. The sweep-path-based method is continuous by construction but requires the guide path as input. The central-path-driven method loses continuity on curved geometry due to its contour ordering stage. The voxel-skeleton-based method is the only automatic strategy that remains continuous and accurate throughout, at the highest computational cost, and produces the cleanest printed part. In conclusion, the research quantifies the trade-offs between accuracy, continuity, orientation stability, and computational cost, validates the virtual comparison against physically printed parts, and provides a systematic framework for assessing slicing strategies in robotic additive manufacturing

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Engineering Research Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Thesis Advisor:	Samir Mekid,
Thesis Committee Members:	Salem Bashmal, Ali Nasir Latif,
Depositing User:	AHMED BOKHAMSEEN
Date Deposited:	27 Oct 2026 07:14
Last Modified:	27 Oct 2026 07:14
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144787