Optimal generation of inner support structure for FDM type 3D printer

Abstract

3D 프린터 중에서, FDM 방식은 저렴한 비용과 간단한 작동 방식으로 널리 사용된다. 하지만 제작 시간이 길다는 단점이 있다. 형상의 특징을 고려하지 않고 균일하게 생성되는 내부 지지 구조가 긴 제작 시간의 주요한 원인이다. 따라서 본 논문에서는 FDM 방식 3D 프린터의 제작 시간 및 재료 사용량 절감을 위한 새로운 내부 지지 구조 생성 알고리즘을 제안한다. 제안하는 내부 지지 구조는 효율성, 적층 가능성, 독립 적층 가능성, 단순 경로, 등방성의 특징을 지니고 있다. 제안하는 방법은 기존의 2차원 패턴 방식을 확장하여 3차원의 블록으로 분할하는 방법이다. 물체를 단위 블록으로 분할 한 뒤에 내부 지지 구조의 목적에 따라서 단위 블록들을 병합 한다. 병합 된 블록의 독립 출력 가능성과 단순 경로를 확보하기 위해서 평면으로 분할한다. 유닛 블록의 병합 방법에 따라 효율성을 최대로 높이는 M1 방법, 전체 강도를 보강하는 M2 방법, 선택적으로 강도를 보강하는 M3 방법으로 나눌 수 있고, 각 방법의 성능은 실험적으로 확인하였다. 또한 단위 블록의 차원을 확장하여 제안하는 알고리즘의 확장 가능성과 특징을 살펴보았다. 결과적으로 제안하는 방법을 이용하여 생성된 내부 지지 구조는 제작 시간 및 재료 사용량 측면에서 상당히 효율적이며, 항상 안정적으로 출력 가능하고, 압축 하중에 대해서 등방성 특징을 지니며, 선택적 강도 보강을 할 수 있는 특징을 가진다.

Among 3D printers, fused deposition modeling (FDM) type printers are widely used because of their low cost and simplicity, but their long manufacturing time remains a major concern. The widely used 2D pattern inner support structure that is uniformly produced without considering the features of an objects shape is a major cause of long manufacturing time. Therefore, in this study, the aim was to generate a new type of inner support structure to reduce the manufacturing time and material usage of FDM type printer. The proposed inner support structure has the following characteristics: efficiency, printability, self-supporting, simple path, and isotropy. The proposed algorithm uses 3D block partitioning based on an extension of the conventional 2D pattern method. After an object is divided into unit blocks, they are merged according to the purpose of the inner support structure. The merged blocks are divided by supporting planes to ensure self-supporting and simple path properties. In this study, the M1 method for maximizing efficiency, the M2 method for reinforcing overall strength, and the M3 method for reinforcing strength selectively were categorized according to the merging method of the unit block, and the performance of each method was confirmed experimentally. In addition, the dimensions of the unit block were extended and the extensibility and features of the extended algorithm were confirmed. In conclusion, the inner support structures generated using the proposed methods are considerably more efficient in terms of manufacturing time and material usage, can be manufactured stably at all times, and have isotropic characteristics with respect to compressive load.