A new effective thick-layered RP process, Transfer type Variable Lamination Manufacturing using expandable polystyrene foam (VLM-ST) has been developed to reduce building time, to decrease the stair-stepped effect of parts, to minimize post-processing with thick layers and sloping surfaces. VLM-ST employs a 4-axis synchronized automatic hotwire cutter with the parallelogram mechanism and expandable polystyrene foam sheet with the high packing density. The VLM-ST process is divided into a semi-automatic VLM-ST process and a full-automated VLM-ST process according to the stacking method. In the VLM-ST process, a material in the form of a plate is cut into a Unit Shape Layer (USL) or an Automated Unit Shape Layer (AUSL) with thick layers and sloping surfaces by a 4-axis automatic synchronized hotwire cutter according to the cutting path data generated from a CAD model. Each USL or AUSL is then manually or automatically bonded and built up to fabricate a 3D part.
The VLM-ST process requires the new method to generate the cutting path data suitable for a newly devised 4-axis synchronized hotwire cutter. The CAD/CAM system for VLM-ST, which is named the VLM-Slicer, includes a software to automatically create 3D toolpath data from 3D CAD model data for the VLM-ST apparatus.
In this study, the method for generating the cutting path data of the linear hotwire cutter for the VLM-ST process has been developed. The method to generate cutting path data consists of the CAD process to produce the mid-slice from the STL file and the CAM process to produce the USL or AUSL from the mid-slice. The VLM-Slicer has been implemented by integrating these CAD and CAM processes.
The CAD process consists of four steps: STL file input, 2D layer slicing, surface reconstruction, and generation of mid-slice.
A 3D CAD model is converted into a triangular-faceted file format, the STL file. The triangular facets of the STL file are imported. The facets of the STL file are sliced into layers with a constant thickness of more than 1 mm in the building direction in order to create 2D slice data (SLC data). Before slicing, the STL file has been subdivided into several sub-solids in case of the existence of flat areas to eliminate the branching problem, one of the main problems of the surface reconstruction. Contours of each slice are arranged in the regular order by the bounding-box sorting method to solve the correspondence problem, one of the main problems of the surface reconstruction as well. Then, the first order-approximated surface (SRF data) has been reconstructed applying the advancing front technique to contour vertices of two adjacent slices. The mid-slice data (MCG data) have been produced by slicing the reconstructed surface at a half of the layer thickness so that the mid-slice and the hotwire mid-point of the cutter exist on the middle plane of the feeding material. After mid-slicing, the edge filtering has been carried out within the range of the given tolerance so that the jerk does not take place in the process of the hotwire cutting. The mid-slice data include the positional coordinates (X, Y) of each contour and the normal vector ($N_x$, $N_y$, $N_z$) of the triangular facet.
The CAM process comprises four steps: Generation of simply-connected domain, calculation of hotwire rotation angle, generation of reference shape or guide shape, and output of cutting path data (USL file or AUSL file).
The mid-slice for each layer has been made into a counterclockwise closed contour by connecting a multiply-connected domain and multiple contours with the crosscut and connector. The rotation angles of the four-axis hotwire cutter have been calculated knowing that the cross product of the normal vector of a reconstructed facet and the unit direction vector of a mid-slice edge in the hotwire cutting direction is equal to the rotation transformations about the y axis and x axis of the tangential vector at the initial position of the hotwire cutter. The USL data have been generated adding the reference shape with a pilot hole for the semi-automatic $VLM-_ST$ process to each mid-slice so as to help to carry out manual stacking, while the AUSL data have been generated adding the guide shape with two pilot holes for the full-automated $VLM-_ST$ process to each mid-slice in order to accomplish automated stacking. Finally, the cutting path data generated in this way have been stored in USL file or AUSL file, which includes geometrical information, such as layer thickness, positional coordinates (X, Y) of each layer, rotation angles ($θ_x$, $θ_y$) of the 4-axis linear hotwire cutter of each position, coordinates of reference shapes or guide shapes, hotwire cutting speeds, and the heat input to the hotwire (0.3~0.8 W/mm).
The error between the STL data and the mid-slice data has been analyzed. As the results of the error analysis between the STL data and the mid-slice data in the building direction and in the middle plane of each layer, it is seen that the USL or AUSL data have continuity at the layer boundary in the building direction and the in-plane difference in the middle plane of each layer are within the range of the admissible error. Therefore, the proposed method to generate USL or AUSL data has been shown to exhibit he effectiveness within the range of the tolerance.
The applicability to the proposed procedure to generate cutting path data has been verified by fabricating various three-dimensional shapes with geometrical complexity, such as a golf club shape, a housing shape, and a piston shape, from the $VLM-_ST$ apparatus according to USL or AUSL data generated by the VLM-Slicer. From the results of fabrication, it has been shown that the proposed algorithms, such as the slicing algorithm, the algorithm of the surface reconstruction, and the algorithm of generation of reference shape or guide shape, of producing USL or AUSL data have the good applicability to general three-dimensional shapes.
From the results of the error analyses and fabrications of 3D shapes, it has been shown that the proposed method to produce the cutting path data of the linear hotwire cutter has the practical applicability and effectiveness in the process of the real shape fabrication of the $VLM-_ST$ process.
VLM-ST 공정은 4축 동시 제어되는 선형 열선 절단기를 이용하여 여러 가지 두께를 가진 일정 규격의 재료를 단속적으로 공급하여 폭, 길이 및 측면 경사를 실시간 제어하여 3차원 CAD 데이터로부터 생성된 절단 경로 데이터에 따라 측면 경사를 가진 두꺼운 두께의 3차원 형상층을 절단한 후, 반자동 혹은 완전 자동으로 접착/적층함으로써 일체화된 3차원 형상의 제품을 빠른 시간에 제작할 수 있는 쾌속 조형 공정이다. 3차원 CAD 모델 데이터로부터 VLM-ST 공정에서 새로이 고안된 4축 선형 열선 절단기에 맞는 절단경로데이터를 자동으로 생성하는 CAD/CAM 시스템을 “VLM-Slicer”라고 한다.
본 연구에서는 VLM-ST 공정을 위한 선형 열선 절단기의 절단 경로 데이터 생성 방법을 개발 하였다. VLM-ST 공정을 위한 선형 열선 절단기의 절단 경로 데이터 생성 절차는 STL 파일로부터 중간 단면을 생성하는 CAD 프로세스와 중간 단면으로부터 실제 절단 경로 데이터를 생성하는 CAM 프로세스로 구성된다.
CAD 프로세스는 STL 파일 입력, 2차원 단면화, 측면 형상 복원, 중간 단면 생성의 네 가지 단계로 이루어 진다. 3D CAD 모델로부터 변환된 STL 파일의 삼각형 격자 정보들을 읽어 들여 슬라이싱 알고리즘을 이용하여 일정한 두께(1 mm 이상) 간격으로 2차원 단면 데이터를 생성하였다. 유한요소격자 생성 방법인 전진선단기법(AFT)을 이용하여 두 개의 이웃하고 있는 단면들 사이를 삼각형 격자로 둘러 싸서 2차원 단면 데이터의 맨 아래 층부터 맨 위 층까지 차례로 측면 형상을 복원하였다. 선형열선절단기의 열선의 중점이 두께를 가진 3차원 단위형상층의 중간 단면과 같은 평면상에 위치하도록 하기 위해서 복원된 측면 형상에 대하여 층 두께의 절반이 되는 지점에서 다시 슬라이싱하여 중간 단면 데이터을 생성하였다. 중간단면데이터는 각 층의 두께, 가공 윤곽 데이터(절단 중 선형열선절단기의 열선의 중점이 그리는 궤적), 복원된 삼각형 격자의 법선 벡터 등을 포함한다.
CAM 프로세스는 중간단면의 단순연결영역화(simply-connected domain), 선형 열선절단기의 회전각 계산, 적층 기준형상 또는 안내형상 생성의 세 가지 단계로 이루어 진다. 선형열선절단기가 공급된 재료를 통과해서 절단하기 때문에 한층 내의 모든 형상을 하나로 연결하여 한번만에 절단할 수 있도록 횡단선(crosscut)과 연결자(connector)를 이용하여 중간 단면을 반시계 방향의 단일 폐루프로 변환했다. 역운동학적 방법을 이용하여 단일 폐루프를 형성하고 있는 중간 단면 데이터에 포함된 가공 윤곽 데이터와 각 모서리가 속하는 삼각형의 법선 벡터로부터 선형 열선 절단기의 회전각을 계산하였다. 절단된 단위형상층의 반자동 혹은 완전 자동으로 접착/적층하기 위해서 안내구멍(pilot hole)을 포함하는 적층 기준형상 또는 안내형상을 중간 단면에 부가하여 최종적으로 절단 경로 데이터인 USL 데이터 또는 AUSL 데이터를 생성하였다. 이렇게 생성된 절단 경로 데이터는 파일이름, 단위형상층의 수, 층 두께, 가공 윤곽 데이터 (X, Y), 선형 열선 절단기의 회전각 (qx, qy), 적층 기준형상 또는 안내형상에 대한 좌표값, 열선 절단 속도와 열선의 열량(0.3~0.8 W/mm) 등을 포함한다.
제안된 절단 경로 데이터 생성 방법이 허용 오차 범위 내에서 적용 가능함을 보여 주기 위해서 중간단면데이터를 입력 파일인 STL 파일과 비교하여 그 오차를 분석하였다. VLM-ST 공정의 선형 열선 절단기를 위해 생성된 절단 경로 데이터는 적층 방향의 층 경계에서 연속성을 가지고, 각 층의 중간 평면에서 수평 거리 오차(plane difference)는 허용 오차 범위 내에 있었다. 이러한 결과로부터 생성된 절단 경로 데이터가 1 mm 이상의 두꺼운 층을 사용하더라도 측면의 곡률의 변화가 매우 심하지 않거나 곡률 반경이 층 두께에 비해서 비교적 큰 경우엔 원래 STL 데이터를 잘 근사함을 알 수 있다.
본 연구에서 제안된 가변 적층 쾌속 조형 공정을 위한 선형열선절단기의 절단 경로 생성 방법의 적용 가능성을 검증하기 위해서 다양한 3차원 형상에 적용하여 VLM-Slicer로부터 생성된 절단 경로 데이터에 따라 VLM-ST 장치를 이용하여 실제 제작하였다. 제작된 3차원 형상을 통해서 본 연구에서 제안한 선형 열선 절단기의 절단 경로 생성 방법의 일반적인 3차원 형상에 대한 적용 가능성을 확인할 수 있다.
