Geri Dön

Uni-slice: A unified framework for non-planar 3D printing algorithms

Unı-sıce: Eğrisel 3B baskı algoritmaları için bütünleşik bir çerçeve

PDF İndir

  1. Tez No: 856236
  2. Yazar: İNANÇ ŞENCAN
  3. Danışmanlar: PROF. DR. LEMAN FİGEN GÜL
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Mimarlık, Architecture
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2022
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Bilişim Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Mimari Tasarımda Bilişim Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 158

Özet

3B baskı, 1980'lerden beri hızla büyüyen bir endüstri olmuştur. Tasarımcılar için büyük bir potansiyele sahip olan baskı teknolojileri, tasarımın dijital ve fiziksel temsili arasındaki eksikliği kapatarak; artan yeteneği, erişilebilirliği ve satın alınabilirliği ile tasarımcıların iş akışında kendine yer bulmuştur. Hızlı prototipleme yöntemi olarak 3B baskı, hızlı üretim süreleri, daha az malzeme kullanımı ve karmaşık geometriler üretebilme yeteneği sayesinde tasarımın iterasyonlarla geliştirilmesinde avantajlara sahiptir. Tasarım sürecinde 3B baskı, tasarımcıların daha hızlı ve daha kontrollü karar vermelerini sağlar. Bu nedenle tasarımcıların 3B baskı araçlarını ve yöntemlerini etkin bir şekilde kullanmaları önemlidir. Eriyik Yığma Modellemesi (Fused Deposition Modeling - FDM), Stereolitografi (Stereolithography - SLA) ve Seçici Lazer Sinterleme (Selective Laser Sintering - SLS) dahil olmak üzere 3B baskı ile dijital bir modelden fiziksel bir nesne oluşturmak için çeşitli yöntemler vardır. FDM 3B baskı, özellikle RepRap ile birlikte 2009'daki ucuz masaüstü 3B yazıcıların yaygınlaşmasıyla birlikte en yaygın ve erişilebilir yöntemlerden biri olmuştur. 3B baskı sistemlerinin çalışma mantığı, dijital bir modeli makinenin okuyabileceği bir formata dönüştürme konusunda oldukça yaygın bir uygulamadır. Dilimleme, 3B model ile 3B yazdırma aracı tarafından kullanılan dijital veriler arasındaki adımdır. Yazdırma işlemi, tüm 3B yazdırma yöntemlerinde oldukça benzerdir; 3B modeli, düzlemsel dilimleme olarak bilinen ayrı düzlemsel katmanlarda üretir. Bu işlem aynı zamanda 2,5B baskı olarak da adlandırılır. Bu genelleştirilmiş 3B yazdırma işlemi, 3B yazdırılan modelde yüzey kalitesi, yapısal sağlamlık, zaman ve malzeme kullanımında optimizasyon ile ilgili sorunlara neden olur. Yüzey kalitesini etkileyen bu problemler, istenmeyen bir katmanlanma, bir bakıma merdiven çıkma etkisi (stair-stepping effect), 3B model üzerindeki çıkıntılar ve destek malzemesinin temizlenmesi işlemidir. Ayrıca anizotropi sorunu da 3B baskılı parçanın yapısal kalitesini de etkiler. FDM yönteminde bu sorunlar diğer 3B baskı yöntemlerine göre daha belirgindir. Literatürde, FDM 3B baskıda düzlemsel dilimlemenin neden olduğu yukarıda belirtilen sorunları çözmeyi amaçlayan çalışmalar bulunmaktadır. Bu çalışmalar, özelleşmiş algoritmalar ve araçlar gibi sorunların üstesinden gelmek için farklı yaklaşımları temsil eder. Bu çalışmalar, düzlemsel olmayan 3B basılı modeller elde eder, ancak öncelikle bağlamları için özel olarak oluşturulmuş özel yazılımlar kullanır ve bu çalışmalarda kaynak kodunun paylaşılması nadirdir. Ayrıca algoritmayı akış şemaları ve diyagramlarla açıklayanlar, o algoritmaları programlama dili becerisi gerektiren bir şekilde yeniden oluştururlar. Kısacası kişiye özel 3B baskı çalışmalarında şeffaflık, değiştirilebilirlik ve erişilebilirlik sorunları vardır. Oysa tasarımcılar, üretim aşamasında daha fazla kontrole ihtiyaç duyar ve düzlemsel dilimlemenin olumsuz etkilerinden kaçınır. Bu nedenle bu tez, önceki çalışmaların eksikliklerinden kaçınarak, tasarımcıların ihtiyaçlarına göre düzlemsel olmayan 3B yazdırma algoritmaları oluşturur ve 3B yazdırma araçlarını daha etkin kullanmalarına rehberlik etmeyi amaçlamaktadır. Bu tezde erişilebilirlik, değiştirilebilirlik, şeffaflık ve birlikte çalışabilirlik kavramları dikkate alınarak dilimleme algoritmaları için bir çerçeve sunulmuştur. Çerçevenin kullanılabilirliğini göstermek adına Rhinoceros3D için görsel komut dosyası eklentisi olan Grasshopper seçilmiştir. Grasshopper'da oluşturulan algoritmalar, food4rhino (Url-1) ve grasshopper3d (Url-2) gibi web üzerindeki popüler forumlarda paylaşılabilir. Bu şekilde, paylaşılan dosyalar erişilebilir hale gelerek diğer kullanıcıların algoritmaları değiştirebilmesine ve daha da geliştirebilmesine olanak sağlar. Algoritmalar, Grasshopper'ın bileşenlerine dayanır; böylece başka bir kullanıcı bunları kısıtlama olmaksızın görüntüleyebilir. Ek olarak, sunulan çerçeve bir veri akışı olarak açıklanarak farklı görsel programlama ortamlarıyla uyumlu hale getirilmiştir. Çerçevenin adımlarını izleyen bir tasarımcının, tasarımlarının 3B baskısında standart dilimlemeden daha iyi çalışan özel bir dilimleme kodu oluşturabilmesi veya mevcut bir CLDFM algoritmasını değiştirebilmesi beklenir. Çerçeve, bir 3B modelden G-Code dosyası adı verilen 3B yazıcılara özel bir dosya formatına kadar bir dizi adımı takip eder. 3B model sırasıyla dilimlenmiş yüzeylere, baskı eğrilerine, takım yollarına ve G-Code'a dönüştürülür. Çerçeve içinde varsayılan olarak standart bir dilimleme algoritması oluşturulur. Tasarımcılar, yeni ve benzersiz dilimleme algoritmaları oluşturmak için her bir algoritma adımını ayrı ayrı değiştirebilir. Çerçevenin son aşaması, 3B baskıdan önce G-Code'unun sonucunu görmek için takım yolu görselleştirme kodudur. Tez, literatürde bulunan örneklerden türetilen 3B modellerin basitleştirilmiş versiyonları olarak bir dizi tasarım durumunu izleyen çoklu düzlemsel olmayan dilimleme algoritmalarını göstermektedir. Vakalar, 3B baskı araçlarına, dilimleme yaklaşımına ve amaçlarına göre kategorize edilir. Nitel ve nicel değerlendirmeler tasarım vakaları üzerinde gerçekleştirilir. Nicel testler, yüzey kalitesinin iyileştirilmesi, zaman ve malzeme optimizasyonu gibi durumların amaçlarına dayalıdır. Nitel testler, algoritmaların erişilebilirliğine, değiştirilebilirliğine ve şeffaflığına dayanır. Beş tasarım vaka modeli, düzlemsel ve düzlemsel olmayan dilimleme algoritmalarıyla dilimlenir. Sonuçlar tüm modeller için dijital olarak karşılaştırılır. Bununla birlikte, mevcut olarak farklı 3B yazıcılarının bulunmaması nedeniyle fiziksel testler için yalnızca 3 eksenli 3B yazıcılar kullanılmaktadır. Basılı modellerin yüzey kalitesi, gözlem ve kumpas ile yapılan ölçümlere dayalı olarak karşılaştırılır. Normalde, dilimleme programları bir 3B baskıda ne kadar zaman ve malzeme harcandığını gösterir. Bunu Grasshopper'daki çerçeveyi kullanarak hesaplamak mümkün olsa da, programın kısıtları nedeniyle deneylerin dışında tutulmuştur. Bu kısıt, Grasshopper'ın tahmini ile gerçek 3B baskı süreci arasındaki doğru zaman ve harcanan malzeme ölçümünün tutarsızlığından kaynaklanmaktadır. Bu nedenle, bu tez yalnızca fiziksel modellerden elde edilen gerçek verileri dikkate alır. Ayrıca, gerekli ekipman tedariğinin olmaması nedeniyle deneylerde bir tasarım kriteri olarak yapısal testler ihmal edilmiştir. Bunun yerine deneyler, literatürdeki benzer çalışmalardaki mevcut yapısal test kayıtlarını dikkate alır. Sonuçlar, bütüncül bir çerçeve kullanarak düzlemsel olmayan dilimleme algoritmaları oluşturmanın mümkün olduğunu göstermektedir. Çerçevede, algoritmalar, düzlemsel ve düzlemsel olmayan dilimleme gibi farklı temel versiyonları içeren modüler adımlara sahiptir. Tüm kodlar, bir eklenti veya özel komut dosyası gerektirmeden standart Grasshopper bileşenleri kullanılarak oluşturulur. Dolayısıyla erişilebilir ve şeffaftırlar. Algoritmalar ayrıca diyagramlarda veri akışları olarak açıklanır. Ancak, diğer görsel programlama dillerinde test edilmemiştir. Çerçevede sunulan algoritmalara dayanarak, tasarım vakalarındaki tüm 3B modeller, 3 eksenli bir FDM 3B yazıcı ile yazdırılır. Düzlemsel ve düzlemsel olmayan dilimlemeyi karşılaştırmak için katman yüksekliği, kabuk sayısı, dolgu miktarı, yazdırma hızı ve sıcaklık gibi yazdırma parametreleri eşit veya benzer olarak tanımlanır. Testlerde, algoritmalar yüzey kalitesini artırırken harcanan zamanı ve malzemeyi azaltmada önceki çalışmalara benzer performans gösterdi. Sonuç olarak, düzlemsel olmayan dilimleme algoritmaları üzerine önceki çalışmalar kendi hedeflerine başarılı bir şekilde ulaşırken, bu tezde gösterilen çerçeve, çeşitli düzlemsel olmayan dilimleme projeleri için bütüncül, tasarımcı dostu ve açık erişimli bir kılavuz oluşturarak bu çalışmalardan ayrışmaktadır. Daha bütüncül bir sistem oluşturmak için kullanıcıları tarafından daha da geliştirilme potansiyeline sahiptir. Gelecekte, düzlemsel olmayan dilimleme algoritmaları, bağımsız bir dilimleme aracı veya başka bir program için bir eklenti olarak paylaşılan diğer görsel programlama arayüzlerinde test edilebilir. Silindirik ve küresel 3B yazıcılar, robotik kollar ve büyük ölçekli 3B yazıcılar gibi çeşitli dijital üretim araçları bu çerçeve kullanılarak kontrol edilebilir. Ek olarak, eğrisel yüzeylerde büyük ölçekli 3B baskı veya küresel 3B yazıcılarda uyarlanabilir düzlemsel olmayan 3B baskı gibi bu yöntemlerin kombinasyonları da mümkündür.

Özet (Çeviri)

3D printing has been a rapidly growing industry since the 1980s. It bridges the gap between design's digital and physical aspects since it has much potential for designers. It has found its place in the designers' workflow with its increased capability, accessibility, and affordability. As a method of rapid prototyping, 3D printing has advantages in design iteration thanks to the fast production times, less material use, and the ability to produce complex geometries. 3D printing in the design process allows designers to decide faster and more potently. Therefore, designers need to use 3D printing tools and methods effectively. There are various methods to create a physical object from a digital model by 3D printing, including Fused Deposition Modeling (FDM), Stereolithography (SLA), and Selective Laser Sintering (SLS). FDM 3D printing is one of the most common and accessible methods, especially after cheap desktop 3D printers in 2009. The working logic of 3D printing systems is very typical in converting a digital model to a machine language. Slicing is the step between the 3D model and the digital data used by the 3D printing tool. The printing process is quite similar in all 3D printing methods, fabricating the 3D model in individual planar layers, known as planar slicing. This process is also referred to as 2,5D printing. This generalized 3D printing process causes problems in the 3D printed model regarding surface quality, structural strength, and optimization in time and material usage. These problems affecting surface quality are stair-stepping effect, overhangs on the 3D model, and support material removal. Besides, the anisotropy problem affects the 3D-printed part's structural quality. These issues are more noticeable in the FDM method than in the other 3D printing methods. There are studies that aim to solve the above-stated issues caused by planar slicing in FDM 3D printing. These studies represent different approaches to tackling the problems, such as bespoke algorithms and tools. These studies obtain non-planar 3D printed models, yet by primarily using custom software built explicitly for their context, and sharing the source code is rare in these studies. Besides, the ones explaining the algorithm with flowcharts and diagrams recreate those algorithms in a way that requires programming language skills. In short, custom 3D printing studies have problems with transparency, modifiability, and accessibility. Designers need more control in the production phase and avoid the adverse effects of planar slicing. Therefore this thesis aims to guide designers to use 3D printing tools more effectively by creating non-planar 3D printing algorithms according to their needs while avoiding the shortcomings of previous studies. A framework for slicing algorithms is presented considering accessibility, modifiability, transparency, and interoperability in this thesis. To demonstrate its usage, Grasshopper is selected as a visual scripting plug-in for Rhinoceros3D. The algorithms created in Grasshopper can be shared in popular forums on the web, such as food4rhino (Url-1) and grasshopper3d (Url-2). In this way, the shared files become accessible so that other users can modify the algorithms and develop them further. The algorithms depend on Grasshopper's components; thus, another user can view them without restrictions. Additionally, the presented framework is explained as a data flow, making it compatible with different visual programming environments. It is expected that a designer following the framework's steps will be able to create a custom slicing code or modify an existing CLDFM algorithm that works better than standard slicing in 3D printing their design. The framework follows a series of steps, from a 3D model to a file format specific for 3D printers called a G-Code file. The 3D model is respectively transformed into sliced surfaces, print curves, toolpaths, and G-Code. A standard slicing algorithm is created within the framework as default. Designers can modify each algorithm step separately to create new and unique slicing algorithms. The last stage of the framework is the toolpath visualization code to see the outcome of the G-Code before 3D printing. The thesis demonstrates multiple non-planar slicing algorithms following a series of design cases as simplified versions of the 3D models derived from the examples found in the literature. The cases are categorized according to their 3D printing tool, slicing approach, and their goal. Qualitative and quantitative evaluations are performed on the design cases. Quantitative testing is based on the purposes of the cases, such as improving surface quality, time, and material optimization. Qualitative testing is based on the accessibility, modifiability, and transparency of the algorithms. Five design case models are sliced with planar and non-planar slicing algorithms. Results are compared digitally for all models. However, only 3-axis 3D printers are used for physical testing due to the lack of available 3D printing tools. The surface quality of the printed models is compared based on visual observation and measurements with a compass. Normally, slicing programs display how much time and material is spent on a 3D print. Although it is possible to calculate this using the framework in Grasshopper, it is excluded from these experiments because of the program's limitations. This limitation is driven by the inconsistency of accurate time and material spent measurement between the Grasshopper's estimate and the actual 3D printing process. Therefore, this thesis only considers the actual data obtained from physical models. In addition, structural testing as a design criterion is omitted in the experiments because of the lack of necessary equipment supply. Instead, experiments consider the existing structural testing records in similar studies in the literature. The results show that it is possible to create non-planar slicing algorithms using a single, unified framework. In the framework, the algorithms have modular steps comprising different basic versions, such as planar and curved slicing. All codes are written using standard Grasshopper components without requiring a plug-in or custom script. Hence, they are accessible and transparent. The algorithms are also explained as dataflows in diagrams. However, they are not tested in other visual programming languages. Based on the presented algorithms in the framework, all 3D models in design cases are printed with a 3-axis FDM 3D printer. Print parameters such as layer height, shell counts, infill amount, print speed, and temperatures are defined as equal or similar for comparing planar and non-planar slicing. In the tests, the algorithms performed similarly to the previous studies in increasing surface quality while decreasing the time and material spent. In conclusion, while previous studies on non-planar slicing algorithms successfully achieved their goal, the framework demonstrated in this thesis creates a guide for various non-planar slicing projects in a unified, designer-friendly, open-access way. It has the potential to be further developed by its users to form a more holistic system. In the future, the non-planar slicing algorithms can be tested on other visual programming interfaces, shared as a standalone slicing tool or a plug-in for another program. Various digital fabrication tools, such as cylindrical and spherical 3D printers (Sencan et al., 2021), robotic arms, and large-scale 3D printers, can be controlled using this framework. Additionally, combinations of these methods are possible, such as large-scale 3D printing on curved surfaces or adaptive non-planar 3D printing on spherical 3D printers.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    527270

    Spinal implantlı hastaların konvansiyonel ve stereotaktik radyoterapi tedavilerinde implantın doz dağılımına etkisinin polimer jel tabanlı 3 boyutlu dozimetre ile incelenmesi

    Investigation of the effect of spinal implant on dose distribution using polimer gel based 3 dimensional dosimeter in conventional and stereotactic radioterapy

    OKAN ŞAR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    Fizik ve Fizik MühendisliğiAnkara Üniversitesi

    Medikal Fizik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MUSTAFA CENGİZ

    PROF. DR. HALUK YÜCEL

  2. Tez No

    39280

    Akım taşıyıcı kullanarak akım transfer fonksiyonu sentezi

    Current transfer function synthesis using current conveyors

    SERDAR ÖZOĞUZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1993

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik Üniversitesi

    PROF.DR. CEVDET ACAR

  3. Tez No

    66720

    Asenkron transfer modu ve çerçeve aktarma

    Asynchronous transfer mode and frame relay

    HALİT DÖNMEZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1997

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. GÜNSEL DURUSOY

  4. Tez No

    398949

    Mini-vida destekli hızlı üst çene genişletmesi ile konvansiyonel hızlı üst çene genişletmesinin etkilerinin konik ışınlı bilgisayarlı tomografi (CBCT) kullanılarak karşılaştırılması

    Comparison of the effects of conventional rapid palatal expansion and mini-screw supported rapid palatal expansion using cone beam computed tomography (CBCT)

    GÖZDE TUĞÇE ÇELENK KOCA

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2013

    Diş HekimliğiEge Üniversitesi

    Ortodonti Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ASLIHAN MEDİHA ERDİNÇ

  5. Tez No

    462954

    Türkiye' de kültür deniz balıklarında streptokok enfeksiyonlarının farklı diyagnostik tekniklerle tespiti

    Determination of streptococcal infections in cultured marine fish by different diagnostic tecniques in Turkey

    ÇİĞDEM ÜRKÜ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2017

    Histoloji ve Embriyolojiİstanbul Üniversitesi

    Su Ürünleri Yetiştiriciliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. GÜLŞEN TİMUR

Geri Dön