[논문 리뷰] Geodesic Distance Field-based Curved Layer Volume Decomposition for Multi-Axis Support-free Printing

Ya‐Min Li, Dong He외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 03. 12.

Additive Manufacturing and 3D Printing Technologies참고 문헌 18인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 다축 지원 구조 없이 3D 프린팅을 위한 기하학적 거리장 기반 곡면 층 분해 방법을 제안한다. 각 메esh 정점에서 기준면까지의 지오데식 거리를 계산하고 등지오데식 거리 표면(IGDS)을 생성함으로써, 충돌 없이 효율적인 인트라-기하학적 곡면 층을 생성한다. 이는 지원 구조가 필요 없으며, 시뮬레이션과 실제 프린팅을 통해 검증되었다. 공기 이동 경로가 단축된다.

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.

연구 동기 및 목표

• 자유형 모양의 부품을 다축 3D 프린터를 사용해 지원 구조 없이 프린팅할 수 있도록 하는 것.
• 다축 증착에 적합한 충돌 없이 부드러운 곡면 층을 생성하는 데 도전하는 것.
• 층 증착 순서를 최적화하여 프린팅 중 공기 이동 경로 길이를 단축하는 것.
• 기하학적 분해 방법을 제공하여 모델의 내재된 형태에 자연스럽게 따르는 것.

제안 방법

• 고체 모델의 단체소 격자 표현에서 지오데식 거리장을 구성하며, 각 정점의 값은 기준면까지의 최단 경로 거리이다.
• 지오데식 거리장의 등치수를 보간하여 등지오데식 거리 표면(IGDS)을 생성함으로써, 모델의 내재 기하학에 따라 따라가는 곡면 층을 형성한다.
• IGDS를 인쇄 층으로 사용함으로써, 과도한 오버행을 방지하고 지원 구조가 필요 없도록 부드럽고 연속적인 증착을 가능하게 한다.
• 공기 이동 경로 길이를 최소화하기 위해 IGDS 증착 순서를 결정하는 인쇄 순서 최적화 알고리즘을 도입한다.
• 지오데식 거리장은 메쉬 상의 지오데식의 내재적 성질 덕분에 층의 자연스러운 하향 방향 변형을 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 모델 기하학에 내재된 방식으로 다축 프린팅에 적합한 곡면 층을 생성할 수 있는가?
• RQ2 지오데식 거리장이 자유형 모양 부품에 대해 지원 구조 없이 충돌 없는 인쇄 층을 만들 수 있는가?
• RQ3 층 증착 순서가 다축 3D 프린팅에서 공기 이동 경로 길이에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 기존의 층 분해 방식과 비교해 본다면, 제안된 방법은 인쇄 효율성 향상과 지원 구조 제거 측면에서 어떤가?

주요 결과

• 지오데식 거리장은 인위적인 분할 없이 모델의 내재된 형태를 자연스럽게 따르는 매끄럽고 부드러운 곡면 층 분해를 가능하게 한다.
• 모델의 모든 자유형 부품에 대해 시뮬레이션과 실제 프린팅 모두에서 지원 구조가 필요 없음을 성공적으로 해결하였다.
• 인쇄 순서 최적화 알고리즘이 공기 이동 경로 길이를 크게 단축시켜 인쇄 효율성을 향상시켰다.
• 실제 프린팅 결과는 제안된 곡면 층 분해 방식을 통해 지원 구조 없이 다축 프린팅된 부품의 실현 가능성과 품질을 확인시켰다.