In 3D printing, stiff fibers (e.g., carbon fiber) can reinforce thermoplastic polymers with limited stiffness. However, existing commercial digital manufacturing software only provides a few simple fiber layout algorithms, which solely use the geometry of the shape. In this work, we build an automated fiber path planning algorithm that maximizes the stiffness of a 3D print given specified external loads. We formalize this as an optimization problem: an objective function is designed to measure the stiffness of the object while regularizing certain properties of fiber paths (e.g., smoothness). To initialize each fiber path, we use finite element analysis to calculate the stress field on the object and greedily "walk" in the direction of the stress field. We then apply a gradient-based optimization algorithm that uses the adjoint method to calculate the gradient of stiffness with respect to fiber layout. We compare our approach, in both simulation and real-world experiments, to three baselines: (1) concentric fiber rings generated by Eiger, a leading digital manufacturing software package developed by Markforged, (2) greedy extraction on the simulated stress field (i.e., our method without optimization), and (3) the greedy algorithm on a fiber orientation field calculated by smoothing the simulated stress fields. The results show that objects with fiber paths generated by our algorithm achieve greater stiffness while using less fiber than the baselines--our algorithm improves the Pareto frontier of object stiffness as a function of fiber usage. Ablation studies show that the smoothing regularizer is needed for feasible fiber paths and stability of optimization, and multi-resolution optimization help reduce the running time compared to single-resolution optimization.
翻译:在 3D 打印中, 硬纤维( 如碳纤维) 能够以有限的僵硬性能强化热塑性聚合物。 然而, 现有的商用数字制造软件只能提供几套简单的纤维布局算法, 仅使用形状的几何。 在此工作中, 我们建立一个自动纤维路路规划算法, 以最大限度地提高 3D 打印的僵硬性, 指定的外部负荷。 我们将此作为一个优化问题正式化: 客观功能旨在测量对象的僵硬性, 同时调整纤维路径的某些特性( 例如, 平滑性) 。 要初始化每种纤维路径, 我们使用有限元素分析法来计算对象的压力字段的“ 行走” 和在压力字段方向上的“ 贪婪行走” 。 然后我们使用一种基于梯度的优化算法, 计算一个3D型打印的僵硬度。 我们在模拟和现实世界实验中将此方法比三个基线:(1) 由 Eiger 生成的同心纤维环, 这是由 Markfored 开发的多种制造软件包 ; 在 模拟阵列中, 减少对目标的贪软性精度 优化,, 将 和 平整的 平整的 平整的 平整 的 的 平整的 将 的 平整 平整 的 平整 的 的 平整 平整 平整 显示 平整 的 平的 的 平的 平的 平的 平整 平整 平的 平的 平的 显示 平的 平的 平的 平的 平的 平的 平流性 平流性 平流 平流 平流性 使 平流 平流 平流 平流 平流 平流 平流 平流 平流 平流 平流 平流 平流 平流 平流 平流性 平流 平流 平流 平流 平流 平流 平流 平流 平流 平流 平流 平流 平流 平流 平流 使 平流 平流 显示 平流 平流 平流 平流 平流 平流 平流