[论文解读] Geodesic Distance Field-based Curved Layer Volume Decomposition for Multi-Axis Support-free Printing
本文提出一种基于测地距离场的曲面层分解方法，用于多轴无支撑3D打印。通过计算每个网格顶点到基底的测地距离，并生成等测地距离面（IGDS），该方法生成平滑、内在的曲面层，实现无碰撞、高效的打印，且无需支撑结构，经仿真与实物打印验证，显著减少了空行程路径。
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.
研究动机与目标
- 实现使用多轴3D打印机对自由形态零件进行无支撑3D打印。
- 解决生成适用于多轴沉积的无碰撞、平滑曲面层的挑战。
- 通过优化层沉积顺序，减少打印过程中的空行程路径长度。
- 提供一种几何分解方法，通过测地距离自然贴合模型的内在形状。
提出的方法
- 该方法在实体模型的四面体网格表示上构建测地距离场，其中每个顶点的值为到基底的最短路径距离。
- 通过插值测地距离场的等高线集生成等测地距离面（IGDS），形成遵循模型内在几何形状的曲面层。
- 将IGDS用作打印层，实现平滑、连续的沉积，避免悬垂结构，消除对支撑结构的需求。
- 引入一种打印顺序优化算法，通过确定IGDS沉积的最优顺序，最小化空行程路径长度。
- 测地距离场利用网格上测地线的内在特性，确保层的自然、自下而上的形态演变。
实验结果
研究问题
- RQ1如何生成一种与模型几何形状内在相关且适用于多轴打印的曲面层？
- RQ2测地距离场能否用于为自由形态零件创建无支撑、无碰撞的打印层？
- RQ3层沉积顺序对多轴3D打印中空行程路径长度有何影响？
- RQ4与传统分层方法相比，该方法在打印效率和支撑结构消除方面表现如何？
主要发现
- 测地距离场实现了自然、平滑的曲面层分解，完全遵循模型的内在形状，无需人为分割。
- 该方法在所有测试的自由形态零件中，无论在仿真还是实物打印中，均成功消除了对支撑结构的需求。
- 打印顺序优化算法显著减少了空行程路径长度，提升了打印效率。
- 实物打印结果证实了所提出的曲面层分解方法在无支撑、多轴打印零件的可行性与高质量。
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本解读由 AI 生成，并经人工编辑审核。