Optimization of 3D models for fabrication

Zimmer, Henrik; Kobbelt, Leif

doi:999910364580

Optimization of 3D models for fabrication = Optimierung von 3D-Modellen für die Fertigung

Zimmer, Henrik (Author)

2014

VerantwortlichkeitsangabeHenrik Zimmer

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2014

UmfangVI, 158 S. : Ill., graph. Darst.

ReiheSelected topics in computer graphics ; 12

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2014

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Kobbelt, Leif (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2014-05-14

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-51723
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/445000/files/5172.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Geometrieverarbeitung (Genormte SW) ; Informatik (frei) ; Architekturgeometrie (frei) ; Anti-Diversifizierung (frei) ; Planarisierung (frei) ; Zometool (frei) ; geometry processing (frei) ; architectural geometry (frei) ; rationalization (frei) ; planarization (frei) ; shape approximation (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 004

Kurzfassung
Diese Arbeit stellt eine Reihe neuartiger Optimierungsverfahren für drei verschiedene architektonische Rationalisierungsaufgaben vor: Als Erstes wird eine Planarisierungstechnik präsentiert, welche eine effiziente Herstellung von (bspw. gläsernen) Panelisierungen von Freiform-Geometrien ermöglicht. Die Formulierung basiert auf Ebenenschnitten und liefert ebene Panele per Konstruktion. Des Weiteren sind die erforderlichen Nebenbedingungen unkompliziert und zu ihrer Implementierung genügen Polynome niedrigerer Ordnung als bei verschiedenen vergleichbaren Verfahren. Die Allgemeinheit der Methode, die eine reiche Menge von verschiedenen zusätzlichen Nebenbedingungen und Kostenfunktionen zulässt, wird durch Einsatz auf verschiedenen, architektonisch motivierten Optimierungsproblemen demonstriert. Als Nächstes wird, für eine neuartige Form von Tragwerk basierend auf so-genannten Punktfaltungen, eine Anti-Diversifizierungstechnik entwickelt, um die Anzahl geometrisch verschiedener Panele zu reduzieren. Durch eine problemangepasste Parametrisierung und sorgfältig gestaltete Suchstrategie kann die Formredundanz für verschiedene freigeformte Designs um über 90% reduziert werden. Zum Schluss wird für den noch größtenteils unerforschten aber dennoch hoch interessanten Bereich der eingeschränkten Tessellierungstechniken, d.h. Algorithmen, die für die Tessellierung nur auf eine vordefinierte Menge von Bauteilen zurückgreifen dürfen, zwei neuartige Verfahren basierend auf einem kommerziell verfügbaren Bausystem (Zometool) präsentiert. Die erste Methode betrifft die Approximation von geschlossenen Oberflächen mit beliebigen Genus und implementiert eine effektive Modellerforschungs-Strategie um effizient Lösungen zu finden. Die zweite Methode implementiert einen Advancing-Front-Algorithmus um die architektonisch wichtige Klasse berandeter Freiformflächen mit garantiert ebenen Panelen zu bedecken.

This thesis presents a set of novel optimization approaches for dealing with three different architecturally motivated rationalization tasks: First, a planarization technique for enabling efficient (e.g., glass) panelings of tessellated freeform geometries is presented. The formulation is based on plane intersections and yields planar panels by construction. Furthermore, the used constraints are straightforward algebraic expressions of lower polynomial degree than used in various comparable methods. The generality of the method is demonstrated by application to a variety of architecturally inspired optimization problems. Then, for a new type of support structures called point-folded structures an anti-diversification technique is developed for reducing the number of geometrically different panels. By a problem-adapted parametrization and carefully designed search strategy, the shape redundancy can be reduced by over 90% for various freeform designs, enabling significant reductions of fabrication costs in practice. Finally, for the still largely unexplored high potential area of constrained tessellation techniques, i.e., tessellation algorithms restricted to using only structural elements from a predefined set, two novel approaches based on a commercially available construction system (Zometool) are presented. The first method concerns approximation of closed surfaces of arbitrary genus, and implements an effective model-exploration strategy to efficiently find a solution. Furthermore, for guaranteeing planarity of panels when tessellating the architecturally important class of freeform surface patches, a second method based on an advancing front method guided by a novel growing strategy is developed.

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