[論文レビュー] General Support-Effective Decomposition for Multi-Directional 3D Printing

Chenming Wu, Chengkai Dai+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 3, 2018

Additive Manufacturing and 3D Printing Technologies参考文献 32被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、ビームガイドドサーチを用いて異なる方向に印刷可能な領域にモデルを分解することにより、オーバハンギング領域を最小化する多方向3Dプリント用のサポート効果的体積分解法を提案する。この手法により、ループやハンドルを有する複雑なモデルを1回のパスでプリント可能とし、固定方向プリントと比較してサポート構造を最大87%まで削減可能であり、4DOFおよび5DOFシステムを対応可能にし、ハードウェアに適合する制約を満たす。

ABSTRACT

We present a method for fabricating general models with multi-directional 3D printing systems by printing different model regions along with different directions. The core of our method is a support-effective volume decomposition algorithm that minimizes the area of the regions with large overhangs. A beam-guided searching algorithm with manufacturing constraints determines the optimal volume decomposition, which is represented by a sequence of clipping planes. While current approaches require manually assembling separate components into a final model, our algorithm allows for directly printing the final model in a single pass. It can also be applied to models with loops and handles. A supplementary algorithm generates special supporting structures for models where supporting structures for large overhangs cannot be eliminated. We verify the effectiveness of our method using two hardware systems: a Cartesian-motion based system and an angular-motion based system. A variety of 3D models have been successfully fabricated on these systems.

研究の動機と目的

• オーバーハング領域に対し広範なサポート構造を必要とする従来の3Dプリントの制限を解消すること。
• 手動組立を要せず、複雑な3Dモデル（ループやハンドルを有する）を1回のパスで製造可能にすること。
• 異なる方向に印刷可能な領域にモデルを分解することで、サポート領域を最小化すること。
• サポートを完全に排除できない場合に適した多方向プリントに対応するサポート生成アルゴリズムの開発。
• 回転軸の制限や衝突回避などの製造制約を分解プロセスに統合すること。

提案手法

• サポート最小化を重視する基準を用いて、多方向3Dプリントを体積分解問題として定式化する。
• 製造制約を尊重しながらオーバーハング領域を最小化するクリッピング平面の順序を探索するビームガイドドサーチアルゴリズムを採用する。
• 必要に応じて、多方向プリントに適合する特別なサポートを生成するための領域投影ベースの手法を用いる。
• 異なるプリント方向における分解結果の最適化を図るため、回転軸のサンプリング戦略を導入する。
• 4DOFおよび5DOFシステムにおける物理的実現可能性を保証するため、クリッピング平面の離散的サンプリング手法を実装する。
• 1つの回転自由度を有する改造済みFDMプリンタおよび2つの回転自由度を有するロボットアームシステムの両方で、手法の有効性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 任意の3Dモデル（ループやハンドルを有する）に対して、一般化された体積分解法は多方向3Dプリントにおけるサポート構造を効果的に削減できるか？
• RQ2 回転軸の制限や衝突回避といった製造制約下で、ビームガイドドサーチをどのようにクリッピング平面の順序最適化に適応できるか？
• RQ3 回転軸の選択が、得られるサポート領域および分解部品のプリント可能性に与える影響は何か？
• RQ4 多方向プリントに特化したサポートをどのように生成すれば、プリント順序に適合し、剥離の難易度を低減できるか？
• RQ5 本手法は、従来の固定方向3Dプリントと比較して、プリント時間および材料使用量をどの程度削減できるか？

主な発見

• 最適な回転軸を用いた場合、サブオプティマルな回転軸と比較して、サポート領域を87.33%まで削減した。目的関数JGにおけるサポートコストは、87.33（最適）対126.58（サブオプティマル）であった。
• 1回の回転軸あたりのビームサーチ時間は平均10秒未塔であり、180軸分の合計時間も平均30分未塔であった。実用的であることが確認された。
• 本手法により、雪だるまや兎のモデルなど、通常はサポートなしではプリントが困難なループやハンドルを有する複雑なモデルをサポートフリーでプリント可能とした。
• 一般的な3Dプリント時間（数時間程度）と比較して、計算コストは妥当であり、全テストモデルでサポート体積の削減が確認された。
• 引張試験の結果、領域間界面で接着性が弱いため機械的強度が低下しており、今後の研究でジョイント設計の改善が求められることが示された。
• 本フレームワークは4DOFおよび5DOFプリントシステムの両方を正常にサポートし、異なるハードウェア構成への適応性を示した。