Part decomposition and evaluation based on standard design guidelines for AM 论文笔记

论文题目：Part decomposition and evaluation based on standard design guidelines for additive manufacturability and assemblability

声明:文中所有观点仅代表个人见解，若有不妥之处欢迎指正。

这篇论文于2021年 被 SCI 1区 "ADDITIVE MANUFACTURING"录用。论文链接

目录

1. Overview

2 .Design evaluation indicators

2.1 Roughness

2.2 Overhang

2.3 Sharpness

2.4 Gap

2.5 Concavity

2.6 Feasibility

2.7 Interface 

2.8 Quantity

3. Part decomposition

1. Overview

先定义若干设计时的考虑因素的计算公式，通过这些生成目标函数，使用遗传算法找到最佳剖分方式对模型进行剖分。

2 .Design evaluation indicators

将剖分过程中的考虑因素定义为数学公式，为剖分进行定量分析。

2.1 Roughness

考虑零件的几何信息及打印方向，因为打印方向与面法向的夹角越小，阶梯效应越明显（如下图），所以通过剖分来减小接替效应（如下图右）

计算：

 <=> roughhness = 所有三角面片的面积*面法向与打印方向的夹角的cos值

roughness越小越好

2.2 Overhang

 超过一定角度的悬垂区域需要支撑结构的支撑，为了让支撑结构尽量少，以减少耗材，定义计算overhang的计算公式：

 <=> overhang = 超过最大支撑角度的所有面向打印平面投影面积的和

 为避免支撑结构，overhang越小越好

2.3 Sharpness

由于打印机的精度有限，尖锐的边的打印效果就会相对较差，所以设计中要尽量避免这类尖锐的边。

这里将这种边分为两种：negative edge & positive edge，通过计算与边相邻的两个面的法向夹角大小来判断该边是否尖锐

通过计算角度超过定义的阈值的边的长度和来计算sharpness

 sharpness越小越好

2.4 Gap

由于打印机的精度，很小的间隙会无法被打印，所以在设计中也要尽量避免出现过小的间隙

 从面f上一点沿其法线方向做射线，该点与射线与模型相交的一点的距离即为gap，通过定义的阈值，小于该阈值的即为不可打印的gap，计算这些面f的面积和，即为计算gap的indicator

gap越小越好

2.5 Concavity

凹度：计算凹区域的体积；凹区域包括凹陷（下图a）、中空（下图b）、孔。 这种特征需要支撑结构，所以也要在设计中避免。

 通过基于体积的方法计算凹度：

计算所有剖分部分，其生成的凸壳的体积-该部分本身体积 的和

 concavity越小越好

2.6 Feasibility

这里的可行性是指打印区域是否放得下，所以通过计算零件的包围盒对角线长度来判断。

2.7 Interface 

接口：两部分零件连接时，接口面越大，连接越牢固

 所有接口面的面积之和/2（因为一个接口有两个相同的接口面，只算其中一个）

2.8 Quantity

剖分零件的数量：为了减少装配时间和消耗，剖分出来的零件数越小越好

3. Part decomposition

根据上述因素得到如下目标函数

 使用遗传算法及上述目标函数，寻找最优解

剖分流程：

 原始模型 -> 形成凸壳 -> 原模型与凸壳求交以保留原始形状 -> 此时还有一些无法打印的部分（如深蓝色部分过大无法放置在打印区域）对无法打印的位置再进行一次剖分操作，得到最终结果

实验部分及结论部分参照论文，不做赘述。

Thanks for reading！