Comparison of non-planar slicing algorithms for filled free-form fabrication in 6-axis robotized AM

Robotic systems diffusion in Additive Manufacturing (AM) allowed the use of non-planar slicing techniques able to reduce criticalities associated to free-form objects production trough conventional planar AM, such as staircase effect and needs for supports. However, a comprehensive and reliable solution able to perform non-planar slicing according to desired object properties and system limitations, still needs to be developed. This work intends to contribute to the development of a robust non-planar slicing solution comparing different algorithms to obtain a őlled fabrication of a representative, free-form object, such as the quarter of torus, through 6-axis robotized FDM. Three algorithms were selected working by generating non-planar layers contours from external objects surface, namely iso-ψ, error optimization and iso-geodesic slicing. The őrst two algorithms work exploiting the parametric representation of the quarter of torus. Iso-ψ algorithm, particularly, generates curved layers constraining the distance between points placed at same angular position on consecutive layers contours, while error optimization algorithm performing an optimization on the error between the desired and the actual layer inter-contour distance. Iso-geodesic slicing, instead, works with a triangulated representation of the quarter of torus, and generates curved layer composed of points having same geodesic distance from quarter of torus base. Curved layers contour proőles induce two problems in case it is required to perform inőll: i) Missing internal layers information; ii) Excessive variation of distance between the inside of consecutive layers. The őrst problem, caused by layers curvature, was addressed through a B-spline surface interpolation through contour points of each layer, while the second problem was addressed modifying the working principle of slicing algorithms by introducing an adaptive condition and by adding sub-layers to respectively control the maximum and minimum of the internal distance between two layers. An alternating zig-zag inőll strategy was, then, applied to reconstructed layers to generates robot trajectories and orientations employed during printing process. Successful supportless printing was achieved for all slicing methods. Results coming from error optimization and iso-geodesic approach show best performance in terms of inter-contour distance, achieving zero error, while perform worse in terms of internal interlayer distance with a variation of 66% against the 46% shown by result obtained from iso-ψ slicing.

La diffusione dei sistemi robotici nell’Additive Manufacturing (AM) ha permesso l’utilizzo di tecniche di slicing non planare in grado di ridurre le criticità associate alla produzione di oggetti free-form, come effetto scala e necessità di supporti. Tuttavia, una soluzione completa e attendibile in grado di eseguire slicing non planare in base alle proprietà dell’oggetto desiderate e ai limiti del sistema non ancora è stata sviluppata. Questo lavoro intende contribuire allo sviluppo di una robusta soluzione di slicing non planare confrontando diversi algoritmi per ottenere la stampa piena di un oggetto free-form rappresentativo, quale il quarto di toro. Tre algoritmi sono stati scelti, che lavorano generando contorni di layer non planari dalla superőcie esterna degli oggetti, vale a dire iso-ψ, error optimization e iso-geodesic slicing. I primi due algoritmi sfruttano la rappresentazione parametrica del quarto di toro. L’algoritmo Iso-ψ, in particolare, genera layer curvi vincolando la distanza tra punti posti alla stessa posizione angolare su contorni di layer consecutivi, mentre il secondo esegue un’ottimizzazione sull’errore tra la distanza tra contorni consecutivi desiderata e quella effettiva. L’iso-geosic slicing, invece, lavora con una rappresentazione triangolata dell’oggetto considerato, e genera layer curvi composti da punti aventi la stessa distanza geodetica dalla base del quarto di toro. I proőli di contorno degli strati curvi inducono due problemi nel caso in cui sia necessario eseguire il riempimento: i) Mancanza di informazioni sull’interno dei layer; ii) Eccessiva variazione di distanza interna tra layer consecutivi. Il primo problema, causato dalla curvatura dei layer, è stato risolto attraverso un’interpolazione di superőcie B-spline attraverso i punti di contorno di ogni strato, mentre il secondo problema è stato affrontato modiőcando il principio di funzionamento degli algoritmi di slicing introducendo una condizione adattiva e aggiungendo sub-layers per controllare rispettivamente il massimo e il minimo della distanza interna tra due layer. Una strategia di riempimento alternato a zig-zag è stata poi applicata agli strati ricostruiti per generare le traiettorie e gli orientamenti del robot impiegati durante il processo di stampa. Per tutti gli algoritmi di slicing la stampa è avvenuta senza l’utilizzo di supporti. I risultati provenienti dall’error optimization e dall’iso-geodesic slicing mostrano le migliori prestazioni in termini di distanza tra contorni, ottenendo un errore nullo, mentre prestazioni peggiori in termini di distanza interna tra layer, con una variazione del 66% contro il 46% mostrato dal risultato ottenuto dall’iso-ψ slicing. free-form come effetto scala e necessità di supporti, tramite la generazione di layer curvi. Ciò che manca, è una soluzione solida in grado di generare layer non planari a partire dalla geometria considerata secondo le proprietà desiderate e le limitazioni del sistema. Questo lavoro intende contribuire al raggiungimento di questo obiettivo andando a comparare tre diversi algoritmi di slicing non planari per ottenere stampe piene di oggetti free-form tramite FDM assistito da un robot a 6 assi.