3Dプリントからヒントを得たモデルインスタンス化最適化研究のレビュー

この投稿は Little Soft Bear によって 2017-3-15 11:53 に最後に編集されました。

近年、3Dプリント業界は急速に発展し、新しいプリント技術や設備が次々と登場しています。3Dプリント技術は、パーソナライズされた製品の設計と製造に革新をもたらすと考えられています。同時に、3Dプリント技術の発展は、デジタルジオメトリ処理にも新たな課題をもたらしました。インスタンス化されたモデルである3Dプリントの探索と最適化のプロセスから始めて、研究者は3次元モデルの幾何学的特性と組み合わせた一連の研究を実施しており、ますます注目を集めています。
従来のモデリングプロセスでは、研究者は3次元モデルとエンティティ間の幾何学的類似性をより重視しています。3Dプリンターの普及に伴い、モデルのインスタンス化はますます便利になり、研究者はこのプロセスを最適化する方法を模索し、特定の機能をより迅速かつ安価に実現できるインスタンス化モデルを印刷することを望んでいます。3D印刷技術の開発履歴と研究状況はこの記事の焦点ではないため、この記事では詳しく紹介しません。詳細については、この点に関する関連レビューを参照してください。この記事では、3D印刷に触発されたモデルインスタンス化プロセスの最適化に関する研究に焦点を当て、モデル設計と印刷プロセスの2つの段階から説明します。注目すべきは、以前の研究で関連する幾何学計算問題を独自の特性に基づいて分類したのとは異なり、問題の背景とインスタンス化プロセス全体におけるその役割を分析することに焦点を当て、新しい研究問題を見つけたい読者を刺激することです。

1 モデル設計の最適化
3Dプリント技術の幅広い応用範囲は、従来のモデリングで得られたあらゆる3次元モデルを、理論的には3Dプリンターで直接印刷できることを意味します。しかし、モデルの設計プロセスではモデルの重量や力などの要素が考慮されていないため、印刷されたエンティティが簡単に壊れたり、安定した立ち位置などの特別な機能要件を満たせなかったりする可能性があります。そのため、研究者は既存のモデルを修正することで、静的3次元モデルの設計を最適化しています。さらに、3Dプリントの発達は動的モデルの製造にも大きな利便性をもたらし、それに応じて、印刷可能な動的モデルの設計に関する研究もホットな話題となっています。

1.1 静的モデル
静的インスタンス化モデルの最も基本的な要件は、その構造の安定性、つまり、オブジェクトが印刷プロセス中および完成後に壊れたり損傷したりしないことです。モデルのこの特性を確保するために、研究者はモデルの印刷性分析を実施しました。Teleaらは、経験から、モデルの過度に薄い部分が印刷性に影響を与える鍵であると結論付け、対応する判断基準をいくつか定式化し、モデルの印刷性を自動的に分析する最初のアルゴリズムを示しましたが、モデルの印刷性を改善するための解決策は示しませんでした。その後、Nelaturiらは分析精度を向上させ、局所的な肥厚の修正方法を提案しました。Stavaらは、モデルの重量とモデルを持ち上げた際の可能性のある力のポイントを分析して弱い構造を検出し、柱、局所的な肥厚、内部の掘削を追加することでモデルの印刷性を高め、モデルの外観をできるだけ変えないようにしました。

図1aに示す印刷された漫画バナナモデルを例に挙げると、脚の構造を厚くし、背面にサポートを追加することで、モデルを完全に印刷でき、自重で壊れることはありません。また、梅谷らは、断面の特定の方向の力情報を分析することで、構造強度を分析しました。上記の印刷性と構造安定性を分析する方法はすべて、モデルに対する外力と自重の物理的構造分析に依存していますが、外力の推定は正確ではないことが多く、分析結果の信憑性と信頼性は相対的に弱まります。上記の問題に対応して、周らは、モデルの力条件について仮定を立てずに、モデルの幾何学的形状とその構成材料に基づいて、最も破損または損傷する可能性の高い部分を分析およびテストしました。キーテクノロジーはモーダル解析です。ただし、彼らの仮定の限界のために、提案されたアルゴリズムは材料の線形弾性を予備的に考慮するだけで、材料のさまざまな特性を十分に分析していません。
機能的な静的モデルバランスは静的モデルのもう 1 つの一般的な要件ですが、特定のモデルを直接印刷すると、重心が不安定なためにバランスを維持できない可能性があります。 Prévost らは、モデルが指定された方法で安定して立ったりぶら下がったりできるように、モデル本体をインタラクティブに変更する方法を提案しました。許可される変更には、モデルの表面を変形したり、モデル内に穴を掘ったりすることが含まれます。同様に、モデルをジャイロスコープやヨーヨーのように回転させるために、Bächer らは、モデル本体に穴を掘って質量分布を変更し、回転中にモデルを安定させました。 Yamanaka らは、モデルの内部構造を変更して、質量分布が事前に定められた期待を満たすようにしました。

図1bと1cは、安定して立ったり回転したりできる3Dプリントモデルを示しています。この分野の研究では、通常、特定の機能要件を満たすためにモデルの理想的な密度分布を分析し、次にモデル内の材料分布を変更し、モデルの形状をわずかに変形して要件を満たします。既存のモデルを修正して特定の要件を満たすモデルを取得することに加えて、合理的な家具モデル設計、幾何学的装飾設計、フラットアセンブリモデル設計など、3Dプリントの新しいモデリング方法も登場しています。さらに、設計と製造では通常、理想的なモデルと物理的なオブジェクトを最終的に取得するために繰り返しテストが必要になるため、おおよそのモデル設計をすばやく印刷して現在の問題を確認すると、設計変更の進行を効果的にスピードアップできます。

1.2 動的モデル
関節モデルは一般的なタイプの動的モデルであり、コンピュータアニメーションの分野で広く使用されています。ただし、従来の関節モデルは通常、3Dプリンターの入力として直接製造できないため、既存のデータに基づいて直接印刷できる関節モデルをどのように設計するかが重要な問題になります。Bächerらは、表面ジオメトリ情報と内部ボーン情報を含むスキンメッシュを入力として、それを直接印刷できる単一の関節モデルに自動的に変換しました。図2aは、同じ関節モデルのさまざまなポーズを示しています。Calìらは、さまざまな種類の関節構造の設計に焦点を当てました。与えられた通常の静的メッシュに対して、ユーザーインタラクションを通じて同様の関節モデルを構築しました。同様に、ここでの関節モデルも、組み立てずに直接印刷できる全体です。図2bは、3Dプリントで得られた手の関節モデルを示しています。このタイプの研究作業の焦点は、主に関節構造の設計と、最終モデルが自由に動くように入力モデルでこれらの関節をどのように分配するかにあります。
関節モデル関節を制御することで、関節モデルをさまざまな姿勢にすることができ、ギアの動きを制御することで機械モデルをさらにアニメーション化することができます。機械玩具、ロボット、機械漫画などのデザインが次々と実現されており、図3に示すように、3Dプリント技術を通じて迅速に製造できます。機械モデルの設計は、最終アニメーションの初期入力要件に依存します。事前に生成された部品ライブラリから適切な部品が選択され、組み立てられるため、最終モデルは入力アニメーション要件を完了できます。
機械的な動的モデルさらに、3D プリント技術の発展は、他の興味深い動的モデルの作成にも影響を与えました。Zhou らは、特定のモデルをボクセル化し、隣接するボクセル間のジョイントタイプの分布と折りたたみパスの設定を最適化して、最終的にボクセル化されたモデルを正方形に折りたたむようにしました。Megaro らは、影絵の人形に似た動的モデルを設計するためのインタラクティブなツールを提供しました。

2 印刷プロセスの最適化<br /> 設計された3次元モデルは、インスタンス製造のための3Dプリンターの入力として使用されます。通常、モデルは3次元表面メッシュの形で表現されますが、3Dプリントモデルはソリッドモデルであるため、最初のステップは表面メッシュをボリューム表現に変換することです。次に、印刷方向を決定した後、ソリッドモデルを印刷方向に垂直な層構造にカットし、最後に層ごとに積み重ねて蓄積することで完全なモデルを印刷します。以下では、印刷のさまざまな段階で遭遇する最適化問題に関する対応する研究を紹介します。

2.1 容量制限各 3D プリンターの印刷容量には限りがあるため、印刷を開始する前に、既存のプリンターが印刷するモデルを収容できない場合があります。この問題を解決するために、入力モデルを自動的に切断し、個別に印刷してから元のモデルに組み立て直すアルゴリズムが次々と提案されています。これらのアルゴリズムはすべて平面切断を使用しており、切断面にコネクタが設計および配布されているため、部品間の柔軟な組み立てが可能です。以前の研究と比較して、Luo らは、切断プロセス中に印刷可能性、構造安定性、組み立ての容易さ、美的特性などの情報をより多く考慮し、セグメント化されたブロックの数も少なくなっています。図 4a は、アルゴリズムによって得られた椅子モデルと印刷後に組み立てられたソリッドモデルのセグメンテーション結果を示しています。モデルを切断するための平面の使用を制限することで、その上にコネクタを追加するのに便利になり、モデル分割問題は最適な BSP ツリーを見つける問題に変換され、ビームサーチアルゴリズムによって解決されます。
コネクタは部品間の構造的保証を十分に提供できない場合があり、輸送中や組み立て中に損傷しやすいという問題を考慮して、Song らは、図 4b に示すように、コネクタの使用を避けるために 3 次元モデルを連結部品に切断することを提案しました。この連結方法により、組み立てられたモデルの安定性が向上し、各セグメント化されたモデルの表面の滑らかさが保証されます。ただし、この分割方法では、組み立ての簡便性と美観特性の要件を同時に満たすことはできません。

2.2 印刷エンティティ<br /> モデルの印刷可能性を分析し、モデルを変更して他の機能特性を実現する場合、結果として得られるメッシュはしっかりと印刷されていると想定されるのが一般的です（変更プロセス中にくり抜かれた部分を除く）。ただし、印刷材料と印刷時間を節約するために、3Dプリンターは通常、表面に対して比較的緩い構造でモデル本体をまばらに充填します。ただし、一般的な組み込みソフトウェアのまばらな充填機能は、材料と時間の節約に関してユーザーの期待を満たさないことが多いため、多くの研究者が3次元表面メッシュから印刷可能なエンティティに変換するさまざまな方法を提案しています。 Wangらは、図5aに示すように、モデルを非常に薄いスキンと内部の剛性フレーム構造として表現し、表現されたオブジェクトの体積が最小限に抑えられ、印刷されたオブジェクトが必要な物理的強度、力の安定性、自己バランス、印刷可能性を満たすことができるようにしました。 Luらは、図5bに示すハニカム構造をモデルの内部構造として使用し、モデルの強度を確保しながら材料の損失を減らしました。

これら2つの研究の主な貢献は、自己安定構造の探求と、それを3D印刷プロセスにうまく導入したことです。自己安定構造はモデルを近似するために使用され、構造の安定性を確保しながら、印刷プロセス中の材料消費を大幅に削減します。構造最適化プロセス中に構造ジオメトリとオブジェクトの力伝達経路との整合性を実現するために、Xu Wenpengらは、無効または利用率の低い内部材料を徐々に削除することで、印刷体積を最小限に抑えました。Vanekらは、自己安定構造から始めず、モデルの安定性の考慮を弱め、材料と時間の節約に重点を置きました。彼らは、図5cに示す表面の薄層を直接モデルに使用し、表面の薄層を分割して積み重ねてから一緒に印刷することで、印刷時間と材料をさらに節約しました。

2.3 レイヤリング<br /> 一般的な 3D 印刷では、モデル本体は、選択された印刷方向に沿って印刷精度に応じて均一に積層されます。つまり、各層の厚さは同じです。実際には、さまざまな部分でモデルの洗練度が異なるため、最適な層の厚さも異なります。積層方法を最適化すると、印刷効率をある程度向上させることができます。CAD モデルの適応型積層に関する関連作業については、レビュー文献を参照してください。この種の作業は、主に印刷モデルと入力モデルの間の幾何学的近似に焦点を当てています。適切な印刷方向を選択した後、Wang らは、モデルの重要な特徴を維持しながら適応型積層を行うアルゴリズムを提案しました。つまり、特徴に応じてさまざまな領域で異なる厚さの層構造を選択します。重要な特徴を維持するこの適応型積層アルゴリズムを、制約付きスパース最適化問題に変換して解決することが重要な技術です。印刷時間をさらに短縮するために、重要な特徴の分析に応じてモデルをブロックに分割し、各ブロックに対して適応型積層を実行することもできます。

2.4 印刷材料<br /> ほとんどのローエンドの3Dプリンターは、1つの素材のみをサポートしています。 IRED効果は、マルチマテリアル3Dプリンターの研究ホットスポットです。材料空間と最適化プロセスを説明する新しいデータ構造に基づいて、複数の材料合成の問題を解決するための別のプログラム可能なパイプラインシステムを提案しました。 2 つのノズルを備えた、より普及している低価格の 3D プリンターでも、2 つの材料間の相互浸透を減らしたり、モデルの表面に特定のテクスチャ画像を印刷したりする研究が行われています。

2.5 サポート構造
一般的に、上記の研究はさまざまなタイプの 3D プリンターに適用できます。熱溶解積層法 (FDM) 3D プリンターは、価格が安く操作が簡単なため、個人ユーザーや教育機関の間で人気があります。そのため、このタイプの 3D プリンターに関する研究が多く行われています。このタイプのプリンターの最大の欠点は、印刷時に、吊り下げ構造を取り付けるための追加のサポート構造を印刷する必要があることです。これらのサポート構造の欠点は、一方では材料と時間が無駄になること、他方では印刷後にこれらのサポート材料をモデルから手動で取り外す必要があることです。さらに深刻なのは、それらが互いに密接に付着していて取り外しが困難であり、取り外しプロセス中に印刷されたモデルが損傷する可能性があることです。

したがって、サポート材料の削減が、このタイプの印刷技術を最適化する鍵となります。既存の研究で使用されている方法は、おおまかに 2 つのカテゴリに分けられます。

最初の方法は、現在のサポート構造自体の材料の使用を減らすために、サポート構造を変更することです。3Dプリンターのソフトウェアによって生成されたサポート構造は、通常、3DプリンターMakerbot®のサポート構造によって生成されたサポート構造など、その下の最も近い部品を垂直に接続します。サポート構造を改善するために、モデルがはるかに大きくなり、スティックのようなポイントを使用して、グリッドを自動的に検索して、サポートを補給します図6bに示すように、Autodesk®Meshmixertmによって生成されるツリーのようなサポート構造。さらに安定しています。
2番目の方法は、特定の印刷方向の前提の下で、モデルを切断した後、ブロックを印刷することです。 Hu et alは、印刷方向と切断方向についての仮定を立てることなく、3次元モデルの問題を提案し、ピラミッドセグメンテーションの問題は、与えられた3次元モデルを最小限のピラミッド形状に沿って分割することですv直接的な印刷によって得られたピラミッドセグメンテーションの結果は、Hu et alのアルゴリズムを大幅に削減します。ただし、3D モデルは、サポート材の要件がゼロになるために、必ずしもピラミッド型である必要はありません。実際の印刷プロセスでは、3D モデルの表面の傾斜角度が小さい場合は、サポート材なしで直接印刷できます。したがって、モデルをピラミッドに分割しても、セグメント化されたブロックの数を最小限に抑え、材料の節約を最大化するという点で最適な状態を保証することはできません。
3 結論
3Dプリントの発展により、モデル設計から生産までのタイムサイクルが大幅に短縮され、設計プロセス中に印刷関連の要素を十分に考慮して処理できるため、設計されたモデルはより実用的になります。一方、印刷プロセスのさらなる最適化に関する研究も、3Dプリント技術の急速な発展を促進しました。3Dプリントに触発されたモデルのインスタンス化を最適化する作業に関して、本稿では、モデル設計と印刷の2つの段階から既存の研究を簡単に説明します。モデル設計段階では、最終的なインスタンス化モデルのさまざまな機能要件に基づいて、以前の研究では、与えられたデジタル3次元モデルをさまざまな方法で分析および処理して、与えられた要件を満たすようにしました。しかし、現実にはさまざまな機能を持つオブジェクトがあり、研究されてきた機能特性と直接印刷できる機能オブジェクトは、それらのごく一部にすぎません。
3D印刷により、モデルの製造は非常に便利であるため、研究者はモデルの幾何学的な形式よりもモデルの機能の探索と分析に焦点を当てることができます他の重要な特性は、特定の目標を最適化するために、サポート構造を最適化する一方で、モデルの構造を最適化します3D印刷技術の継続的な開発は、研究と探索する価値のあるより興味深い幾何学的処理の問題があると考えており、これらの問題の解決は3D印刷技術の開発をさらに促進するでしょう。
著者: Hu Ruizhen、Huang Hui (中国科学院深圳先進技術研究所ビジュアルコンピューティング研究センター)

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