Multi branch spline slicing: a 6DoF approach to supportless robotized 3D printing

Material-extrusion additive manufacturing is still largely limited by overhang constraints and surface quality: when deposition must remain aligned with a fixed build direction, many geometries require support structures, increasing waste, print time, post-processing, and surface imprecision. This thesis explores support-free 6-degree-of-freedom (6-DoF) printing, where a robotic manipulator enables continuous tool reorientation so that the extrusion direction can adapt to the part geometry. The work achieves two main objectives. First, it designs and implements a complete, extensible software pipeline that converts a 3D mesh into robot-executable 6-DoF toolpaths, preserving the key elements of standard slicing practice (contour extraction, perimeter generation, infill planning, and synchronised motion–extrusion commands). Second, it introduces and evaluates slicing strategies that move beyond parallel layers by generating geometry-adaptive planar slices whose orientation varies across the print, aiming to improve self-supporting deposition on complex shapes. These objectives are realised through a modular C++20 toolchain and a family of slicers of increasing capability: a conventional planar baseline, an angled-planar variant for support reduction, a skeleton-guided spline slicer for curvature-adaptive orientation, and a multi-branch extension for geometries with multiple medial axes. The resulting 6-DoF G-code is validated through simulation on a UR5e robotic setup using ROS 2 and MoveIt, and an initial integration with a custom extruding toolhead controlled by dedicated firmware. The outcomes show that skeleton-guided, region-aware slicing can broaden the range of parts that can be printed with fewer or no supports, while providing a concrete implementation foundation for future research on global ordering of the printing regions and trajectory planning.

La manifattura additiva basata su estrusione di materiale è ancora ad oggi in gran parte limitata dai vincoli di overhang (sporgenza) e difetti di qualità della superficie: quando la deposizione di materiale deve rimanere allineata con una direzione fissa di un piano di stampa, molte geometrie necessitano di strutture di supporto, aumentando gli scarti, il tempo di stampa, la lavorazione successiva e i rischi di danni alle superfici. Questa tesi esplora la stampa senza supporti a sei gradi di libertà (6DoF), dove un manipolatore industriale permette una continua reorientazione del tool affinché la direzione di estrusione si adatti alla geometria dell'oggetto. Questo progetto raggiunge due obiettivi principali. Inizialmente, la progettazione e implementazione di una software pipeline estendibile che converte un oggetto mesh 3D in dei toolpath eseguibili da un robot a 6DoF, preservando gli elementi chiave della pratica standard di slicing (estrazione contorni, generazione perimetri, pianificazione del riempimento interno e comandi sincronizzati di movimento ed estrusione). Successivamente, introduce e valuta strategie di slicing che vanno oltre gli strati paralleli generando slice planari che si adattano alla geometria della parte, la quale orientazione cambia durante la stampa, con il fine di migliorare la deposizione auto-supportante in forme complesse. Questi obiettivi sono stati raggiunti tramite una toolchain modulare in C++20 e un insieme di slicer con capacità crescente: uno slicer planare convenzionale di base, una variante a piani inclinati per riduzione di strutture di supporto, uno slicer su spline estratta dallo scheletro dell'oggetto, e finalmente un'estensione di quest'ultimo per geometrie con multipli assi mediali. Il G-code a 6DoF risultante è validato tramite simulazione con un setup che utilizza il robot UR5e, ROS2 e MoveIt, e un'iniziale integrazione con una toolhead di estrusione controllata da un firmware dedicato. I risultati mostrano come lo slicing guidato dallo scheletro e conscio delle regioni può ingrandire la gamma di oggetti che possono essere stampati con pochi o nessun supporto, fornendo un fondamento di implementazione concreta per la ricerca futura su ordinamento globale delle regioni di stampa e planning delle traiettorie.