[論文レビュー] Geodesic Distance Field-based Curved Layer Volume Decomposition for Multi-Axis Support-free Printing

Ya‐Min Li, Dong He+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 12, 2020

Additive Manufacturing and 3D Printing Technologies参考文献 18被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、多軸サポートフリー3Dプリントを実現するための測地的距離場に基づく曲面レイヤー分解手法を提案する。各メッシュ頂点から基底面までの測地的距離を計算し、等測地的距離面（IGDS）を生成することで、モデルの内在的幾何に従った滑らかで自然な曲面レイヤーを形成する。この手法により、衝突のない、効率的なプリントが可能となり、サポート構造が不要となる。シミュレーションおよび実物のプリントにより、空気移動経路が短縮されたことが検証された。

ABSTRACT

This paper presents a new curved layer volume decomposition method for multi-axis support-free printing of freeform solid parts. Given a solid model to be printed that is represented as a tetrahedral mesh, we first establish a geodesic distance field embedded on the mesh, whose value at any vertex is the geodesic distance to the base of the model. Next, the model is naturally decomposed into curved layers by interpolating a number of iso-geodesic distance surfaces (IGDSs). These IGDSs morph from bottom-up in an intrinsic and smooth way owing to the nature of geodesics, which will be used as the curved printing layers that are friendly to multi-axis printing. In addition, to cater to the collision-free requirement and to improve the printing efficiency, we also propose a printing sequence optimization algorithm for determining the printing order of the IGDSs, which helps reduce the air-move path length. Ample experiments in both computer simulation and physical printing are performed, and the experimental results confirm the advantages of our method.

研究の動機と目的

• 自由形状部品の多軸3Dプリンタを用いたサポートフリー3Dプリントを可能にすること。
• 多軸積層に適した、衝突のない滑らかな曲面レイヤーを生成する課題に対処すること。
• レイヤー積層の順序を最適化することで、プリント中の空気移動経路長を短縮すること。
• モデルの内在的形状に自然に従う幾何的分解法を提供すること。

提案手法

• 本手法は、固体モデルの単体メッシュ表現上に測地的距離場を構築し、各頂点の値を基底面までの最短経路距離とする。
• 測地的距離場の等高値集合を補間することで等測地的距離面（IGDS）を生成し、モデルの内在的幾何に従う曲面レイヤーを形成する。
• IGDSをプリントレイヤーとして用いることで、過渡的なオーバーハングを回避し、サポート構造の必要がなくなる滑らかで連続的な積層が可能となる。
• 空気移動経路長を最小化するためのプリント順序最適化アルゴリズムを導入し、IGDS積層の最適順序を決定する。
• 測地的距離場により、メッシュ上での測地線の内在的性質のおかげで、自然な下から上へのレイヤーの変形が実現される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 モデルの幾何に内在的で、多軸プリントに適した曲面レイヤーをどのように生成できるか？
• RQ2 測地的距離場を用いて、自由形状部品のサポートフリーで衝突のないプリントレイヤーを生成できるか？
• RQ3 レイヤー積層順序が多軸3Dプリントにおける空気移動経路長に与える影響は何か？
• RQ4 本手法は、従来のレイヤー構成と比較して、プリント効率の向上およびサポート構造の削除にどの程度寄与するか？

主な発見

• 測地的距離場により、人工的なセグメンテーションを伴わず、モデルの内在的形状に自然に従う滑らかな曲面レイヤー分解が可能となった。
• 本手法は、シミュレーションおよび実物プリントの両方において、テストした自由形状部品すべてでサポート構造の必要性を明確に排除した。
• プリント順序最適化アルゴリズムにより、空気移動経路長が顕著に短縮され、プリント効率が向上した。
• 実物プリントにより、本手法を用いたサポートフリーで多軸プリントされた部品の実現可能性と品質が確認された。