Voxel-based Representation of digital materials for additive manufacturing

Abstract

Additive Fertigung hat sich in den letzten Jahren schnell weiterentwickelt und neue Methoden zur Generierung von Geometrien wurden geschaffen. Einige dieser neuen Methoden erlauben die Herstellung von „digitalen Materialien“. Struktur und Eigenschaften von solchen Materialien lassen auf dem Niveau von kleinsten druckbaren Punkten festlegen. Eine Analyse von bestehender Literatur wird durchgeführt, um herauszufinden welche Dateitypen aktuell in der additiven Fertigung verwendet werden. Außerdem werden Stärken und Schwächen von diesen Dateitypen dokumentiert und verglichen. Die Ergebnisse dieser Überprüfung werden zusammengefasst, um die Grenzen und Möglichkeiten der derzeit verwendeten Dateitypen zu bewerten.Um die identifizierten Grenzen zu beseitigen und neue Wege zur Darstellung von voxelbasierten Geometrien zu ermöglichen, wird eine neue Methode zur Darstellung solcher Geometrien demonstriert. Es werden zuerst verschiedene Methoden zur Speicherung der Daten im Arbeitsspeicher getestet. Als Ergebnis wird eine Datenstruktur ausgewählt, die dann weiterbenutzt wird. Wichtige andere Operationen wie das Hinzufügen von Daten, das Transformieren (Skalieren, Drehen) von Daten und das Rendern von Daten werden implementiert. Die implementierte Lösung für Transformationen wird dabei mit gleichen Transformationen in einer vektorbasierten Software verglichen. Für das Rendering wurden Algorithmen entwickelt, um die erforderlichen Daten für das Rendering zu erzeugen. Für diesen Schritt wurde insbesondere die Speichernutzung überwacht, da sie einen Engpass darstellen kann.Der vorgeschlagenen voxelbasierte Ansatz wurde auch mit dem üblichen vektorbasierten Ansatz in einige Szenarien verglichen. Zu diesen Szenarien gehören Computertomografie Scans, Visualisierung von Bauteilen aus mehreren Materialien und die Darstellung von Geometrien mit hoher Auflösung. Diese Arbeit wird damit abgeschlossen, dass beantwortet wird, wie der aktuelle Stand in der Wissenschaft erweitert wurde und welcheSchwachpunkte in Zukunft noch weiter erforscht werden müssen.

Additive manufacturing (AM) has developed rapidly in recent years, including many newmethods of geometry creation. Some novel AM methods allow the creation of ‘digitalmaterials’. The structure and properties of these materials can be defined at the level ofthe smallest printable elements.Here, a review of the literature is conducted to find which file types are currently used inAM for representing such digital materials. Furthermore, the strengths and weaknesses ofeach file type are documented and compared. The results of the review are summarizedto evaluate the limitations and capabilities of currently used file types.To remove the identified roadblocks and facilitate new ways for representing voxel-basedgeometries, a new method for representing such geometries is demonstrated. Differentways of storing data in random access memory are tested. As result a data structurefor storing voxel-based geometries is chosen. Important other operations such as addingdata, transforming (scaling, rotating) data, and rendering data are implemented. Theimplemented solution for transforming data is compared with the same operations ina vector-based software in terms of running time. For rendering algorithms have beendeveloped to develop to generate the required data for rendering. The memory usage ofthese algorithms was monitored, as it may represent a bottleneck.The proposed voxel-based approach was also compared against the common vector-basedapproach for some cases. These cases include using voxel for computed tomography scans,visualizing multi-material parts, and representing geometries with high resolution. Thethesis concludes with a statement on how the state of the art in science is extended andwhat the weak points are that need further investigation .