[论文解读] 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 9

一句话总结

本文提出了一种用于多方向3D打印的支持结构有效体积分解方法，通过使用束引导搜索将模型分解为沿不同方向打印的区域，从而最小化悬垂区域。该方法使具有环形和手柄结构的复杂模型可实现单次打印，与固定方向打印相比，支持结构减少高达87%，并兼容4DOF和5DOF系统，满足硬件约束条件。

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.

研究动机与目标

• 解决传统3D打印在悬垂区域需要大量支持结构的局限性。
• 实现具有环形和手柄结构的复杂3D模型的单次打印，无需人工组装。
• 通过将模型分解为可沿不同方向打印的区域，最小化支持面积。
• 开发一种与多方向打印兼容的支持结构生成算法，以应对无法完全消除支持结构的情况。
• 将旋转轴限制和无碰撞运动等制造约束整合到分解过程中。

提出的方法

• 将多方向3D打印建模为一个体积分解问题，以支持最小化为关键准则。
• 采用束引导搜索算法，探索能最小化悬垂面积且满足制造约束的裁剪平面序列。
• 使用基于区域投影的方法，在需要时生成与多方向打印兼容的专用支持结构。
• 引入旋转轴采样策略，以优化不同打印方向下的分解结果。
• 对裁剪平面采用离散采样方法，以确保在4DOF和5DOF系统上的物理可实现性。
• 在具备一个旋转自由度的改进FDM打印机和具备两个旋转自由度的机械臂系统上验证了该方法。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否能够通过一种通用的体积分解方法，有效减少任意具有环形和手柄结构的3D模型在多方向3D打印中的支持结构？
• RQ2 如何将束引导搜索方法适配于在旋转轴限制和碰撞规避等制造约束下，优化裁剪平面序列？
• RQ3 旋转轴的选择对最终支持面积和分解组件可打印性有何影响？
• RQ4 如何为多方向3D打印专门生成支持结构，以保持与打印顺序的兼容性并降低拆卸难度？
• RQ5 与传统的固定方向3D打印相比，该方法在减少打印时间和材料使用方面能达到何种程度？

主要发现

• 当使用优化的旋转轴时，支持面积减少了87.33%，目标函数JG中的支持成本从126.58降至87.33。
• 每条旋转轴的平均束搜索时间低于10秒，180个轴的总时间平均低于30分钟，具备实际应用可行性。
• 该方法实现了如雪人和小兔子等复杂模型的无支持打印，这些模型通常难以在无支持条件下打印。
• 与典型3D打印时间（通常为数小时）相比，计算成本可接受，且在所有测试模型中均观察到支持体积的减少。
• 拉伸测试显示，区域间界面处机械强度下降，这是由于粘附力较弱所致，表明未来工作需改进接头设计。
• 该框架成功支持了4DOF和5DOF打印系统，证明了其对不同硬件配置的适应能力。