拉链打印：使用二维扁平拉链结构实现快速可组装的三维打印

文献标题

Zip-up Print: Rapid and Assemblable 3D printing Using 2D Flattened Zipper-like Structures

出版信息

• 主题领域: 计算设计与3D打印制造
• 关键词: 3D打印, 可展开表面, 拉链结构, 制造流程, 支撑材料减少, 组装, 模块化设计, 计算几何, 快速原型, 用户交互

背景与问题

• 问题/挑战: 传统3D打印面临诸如高支撑材料消耗、打印时间长、构建体积受限以及修改或替换打印对象部分效率低下等挑战。现有解决方案如对象展开或分割在几何保真度、材料节约和组装/拆卸便利性方面存在局限性。
• 意义: 解决这些挑战可以使3D打印在制造复杂或大规模对象时更加高效、经济，并支持迭代修改。
• 动机与相关工作: 之前的研究探索了用于4D打印的展开技术、将对象分割成组件以及使用类似拉链的连接器。然而，这些方法通常缺乏完全自动化、无支撑制造或处理任意3D模型的能力。本文在这些方法的基础上提出了一种更通用、更高效的解决方案。

解决方案

• 提出的方法: Zip-up Print，一种计算流程，将3D模型转换为带有集成拉链结构的可展开片段，用于平面化3D打印和手动组装。
• 创新点:
  1. 一种具有球窝几何结构的3D打印拉链设计，可实现角度无关连接和无支撑制造。
  2. 一个自动化流程，用于将3D模型分割为可展开片段，生成拉链结构并将其平面化以进行打印。
  3. 展示了减少制造时间、材料消耗以及制造超过打印机构建体积的对象的能力。
• 流程与关键技术:
  1. 使用赵等人的方法将3D模型转换为可展开片段。
  2. 允许用户定义缝线以进一步分割过大的片段。
  3. 沿片段边界生成基于球窝几何的拉链结构，实现角度无关连接。
  4. 将集成拉链的片段平面化以进行2D打印。
  5. 手动组装打印片段以重建3D对象。

结果

• 具体发现:
  • 制造模型与可展开模型之间的结构误差平均为3.77%，所有模型的表面覆盖率均超过98%。
  • 支撑材料消耗平均减少78.65%，总材料消耗减少77.43%，与传统3D打印相比显著降低。
  • 包括组装时间在内的制造时间平均减少44.4%。
• 相较基线的优势:
  • 与传统3D打印相比，显著减少支撑材料和制造时间。
  • 能够制造超过打印机构建体积的对象。
  • 可逆的组装与拆卸支持迭代修改。
• 实验/评估:
  • 在六个模型上进行了测试（例如斯坦福兔子、鸟、摩艾雕像），几何形状多样。
  • 机械测试表明拉链尺寸扩大可增加承载力，耐久性测试确认在200次组装循环后性能稳定。
  • 五名参与者的用户研究显示组装过程愉快，但在最终片段组装时存在挑战。
• 局限性与未来工作:
  • 拉链分叉点处的孔洞降低了表面完整性。
  • 当前的可展开近似可能产生过多片段，增加组装复杂性。
  • 需要进一步优化拉链特定的可展开近似、动态齿密度和自动化组装顺序可视化。
  • 有潜力整合金字塔形拉链几何结构以及多打印机并行打印。

总结

Zip-up Print提出了一种通过打印带有集成拉链结构的平面化可展开片段来制造3D对象的新型流程。该方法将支撑材料消耗减少78.65%，制造时间减少44.4%，同时支持制造超过打印机构建体积的对象。球窝拉链设计实现了可逆组装和角度无关连接。应用包括定制化对象、模块化设计以及与传统3D打印相结合的混合制造。未来工作旨在优化可展开近似、改进组装流程并探索并行打印技术。