Tranchage courbe pour la fabrication additive

Curved slicing for additive manufacturing

• Auteur / Autrice : Jimmy Etienne
• Direction : Sylvain Lefebvre, Cédric Zanni
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 01/12/2022
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale IAEM Lorraine - Informatique, Automatique, Électronique - Électrotechnique, Mathématiques de Lorraine
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire lorrain de recherche en informatique et ses applications
• Jury : Président / Présidente : Isabelle Debled-Rennesson
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sylvain Lefebvre, Cédric Zanni, Stéfanie Hahmann, Marco Attene, Bernd Bickel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stéfanie Hahmann, Marco Attene

Mots clés

Mots clés contrôlés

Géométrie algorithmique

Problème de découpage

Courbes

Impression 3D

Prototypage rapide

Mots clés libres

Géométrie

Fabrication

Impression 3d

Manufacturing

Geometry

3D printing

Résumé

La fabrication additive est un sujet de recherche actif dont l'objectif est le prototypage avec l'économie de matières premières et de temps comme axe de recherche essentiel. Généralement appelée impression 3D, elle présente de nombreux défis qui peuvent entraver la fabrication correcte d'un objet. Par exemple, le fait d'évider un objet afin d'économiser de la matière peut entraîner la chute d'une autre partie de l'objet en raison d'un manque de support. De manière générale, l'imprimabilité d'un objet reste un problème difficile a évalué en raison des innombrables possibilités de forme que peut prendre un modèle 3D. Des propriétés telles que la solidité et l'intégrité structurelle peuvent devenir la source de problèmes lorsque l'impression 3D n'est pas optimisée pour la forme. Des structures de support internes et des remplissages épars ont été proposés pour imprimer correctement les surfaces en surplomb et minimiser le matériel utilisé. Néanmoins, réduire la densité du remplissage d'une impression 3D peut entraîner une réduction de la robustesse. Ce problème peut être résolu en optimisant la structure du remplissage sous des contraintes supplémentaires obtenus par exemple d'une optimisation topologique. Le choix des chemins et de leurs orientations est essentiel. Une approche plus générale consisterait à générer de multiples courbes à l'intérieur d'une couche plane qui suivent aussi fidèlement que possible les trajectoires données par un utilisateur ou un quelconque processus d'optimisation. Cependant, une question en suspens concerne le schéma d'impression couche par couche dans la fabrication additive. Cette approche ne peut pas reconstruire une surface avec précision en raison de la quantification de la forme 3D dans son axe de hauteur et de la taille fixe de chaque couche. Au lieu de la méthode couche par couche, une meilleure approche pourrait consister à remplir un volume avec des courbes imprimées en 3D. Celles-ci pourraient servir différents objectifs tels que l'amélioration de la qualité de la surface, l'application de contraintes mécaniques ou la réalisation d'objectifs esthétiques. L'objet de cette thèse est d'étudier comment ces courbes peuvent être imprimées. Nous tentons donc de surmonter certains problèmes intrinsèques à l'impression 3D qui apparaissent lorsque l'on veut améliorer la distribution de la matière et des contraintes à l'intérieur d'une pièce ou améliorer la qualité visuelle des objets imprimés. La première partie décrit les technologies de fabrication additive en général avant de se concentrer principalement sur la déposition de filament fondu (FDM). Nous abordons également les techniques d'impression hors plan, de ses balbutiements aux algorithmes complets. La deuxième partie explore plus en profondeur le remplissage de couches planes et propose deux techniques pour améliorer l'orientation des chemins de dépôt. Pour simplifier le problème, nous ajoutons artificiellement une contrainte sur les couches qui restent planes. Nous introduisons une première méthode pour produire des courbes dont l'espacement et l'orientation peuvent être contrôlés pour créer des motifs de remplissage de densité variable. Et une seconde méthode qui, quant à elle, a pour objectif le remplissage dense avec des courbes uniformément espacées dont on peut contrôler l'orientation. La troisième partie détaille la principale contribution de cette thèse. Il traite de l'impression 3D courbe et fournit l'un des premiers algorithmes de découpage incurvé pour améliorer la qualité de surface des impressions 3D sur des machines standard à 3 axes. Cette technique est basée sur la déformation spatiale contrainte et permet de réduire l'erreur volumique jusqu'à 90% pour des surfaces presque planes. Nous décrivons également comment étendre le remplissage dense à la 3D et ordonner les trajectoires pour garantir l'absence de collision entre le dispositif d'impression et les pièces imprimées.

Most additive manufacturing processes fabricate objects by stacking planar layers of solidified material. As a result, produced parts exhibit a so-called staircase effect,which results from sampling slanted surfaces with horizontal planes. This negatively impacts the surface finish and accuracy of a part. While thinner slices reduce this effect, it remains visible in areas where the input shape surfaces almost align with the layers. This horizontal slicing scheme also impacts the resilience of the printed part as layers cannot be aligned to obtain the maximum strength. As with layers, the orientation of trajectories within a slice is often constrained and cannot be freely controlled. In this thesis, we exploit the ability of some additive manufacturing processes to deposit material slightly out of the plane to overcome these limitations. We mainly focus on extrusion-based technologies, particularly Fused Filament Fabrication technology, since most printers in this category can deposit along slightly curved paths underdeposition slope and thickness constraints. Our algorithms are split into two categories,the ones that produce freely oriented trajectories inside a layer and the ones that curve the layers themselves. My first contribution focuses on deposition trajectories inside a layer, allowing the users to control their orientation. This led to two novel infill patterns aiming at two different objectives. The first is a sparse infill that follows a direction field and density field, while the second is a dense, oriented staggered infill pattern with minimal porosity. My second contribution focuses on printing with curved layers, exploring two different approaches. The first one operates directly on the layers, making them either followthe natural slope of the input surface or, on the contrary, intersect the surfaces at a steeper angle, thereby improving the sampling quality. We demonstrate that this approach enforces all fabrication constraints, including the guarantee of generating collision-free toolpaths. The second method builds atop the staggered infill introduced before, generating trajectories with free orientation throughout the part's volume.