Problèmes d'agencement sous contraintes topologiques pour la fabrication computationnelle

Layout problems under topological constraints for computational fabrication

• Auteur / Autrice : Marco Freire
• Direction : Sylvain Lefebvre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 11/07/2024
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale IAEM Lorraine - Informatique, Automatique, Électronique - Électrotechnique, Mathématiques de Lorraine (1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire lorrain de recherche en informatique et ses applications
• Jury : Président / Présidente : Tamy Boubekeur
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sylvain Lefebvre, Nobuyuki Umetani, Mélina Skouras
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Tamy Boubekeur, Nobuyuki Umetani

Mots clés

Mots clés contrôlés

Algorithmes

Modélisation tridimensionnelle

Conception orientée objets (informatique)

Connexions (mathématiques)

Espaces topologiques

Conception technique -- Informatique

Aménagement

Mots clés libres

Problèmes d'agencement

Fabrication computationnelle

Design génératif

Modélisation d'objets

Layout problems

Computational fabrication

Generative design

Shape modeling

Résumé

Les problèmes d'agencement surviennent dans de nombreux contextes en ingénierie et en informatique. Typiquement, la résolution d'un problème d'agencement consiste en l'organisation spatiale et l'interconnexion d'un ensemble d'éléments dans un espace. Cet espace et ces interconnexions peuvent être de complexité très variable. Un ensemble de contraintes et d'objectifs complémentent la description du problème, tels que minimiser la longueur ou la surface des interconnexions, ou fixer la position de certains éléments. La planification des étages en architecture, de niveaux de jeux vidéo, l'agencement d'installations industrielles ou de circuits électroniques, sont tous des exemples de problèmes d'agencement. Les contraintes topologiques jouent un rôle important dans l'agencement. La topologie considère des objets définis par les voisinages de leurs éléments, sans s'attarder sur leur géométrie spécifique. Par exemple, un graphe est une entité topologique, constituée uniquement des liens entre ses nœuds. Au contraire, dessiner un graphe est une opération géométrique, puisqu'elle demande de spécifier la position des nœuds. Cette thèse se focalise sur la résolution de deux problèmes d'agencement spécifiques liés à la fabrication et la conception computationnelles sujets à des contraintes topologiques. Plus particulièrement, il s'agit de la génération d'agencements de circuits électroniques et la génération de supports pour l'impression 3D. La première contribution est un système pour la conception d'écrans surfaciques constitués de DEL RVB à travers l'utilisation de circuits imprimés pliables. Nous plions les circuits imprimés traditionnels en utilisant des motifs de découpe localisés, créant ainsi des `charnières' dans la plaque. Le système prend en entrée un maillage basse-résolution et produit des plans pouvant être envoyés à des services en ligne de fabrication de circuits. Suite à la fabrication, l'écran est assemblé en pliant le circuit sur une impression 3D du maillage d'origine. Les écrans fabriqués peuvent être contrôlés à travers une interface similaire à des shaders pour créer des effets lumineux impressionnants. Le problème global est découpé en sous-problèmes locaux grâce à la topologie chaînée du circuit, les plans finaux étant obtenus en `recousant' les solutions aux sous-problèmes. Au lieu de suivre la méthode traditionnelle d'agencement électronique (concevoir le schéma électrique, placer et connecter les composants); nous décidons du nombre de composants, leur placement et leur routage séparément pour chaque triangle au moment-même de la génération. La deuxième contribution est un algorithme procédural pour la génération de supports pour l'impression 3D sous forme d'échafaudages. Ces supports s'impriment de manière fiable et sont stables [DHL14]. L'algorithme précédent ne considère pas les intersections entre les supports et l'objet imprimé, laissant des marques indésirables sur la surface de l'objet. De plus, la complexité de l'algorithme dépend du nombre de points à porter. Nous proposons un nouvel algorithme inspiré du emph{Model Synthesis} (MS) [Mer09]. Il évite implicitement les intersections et sa complexité est indépendante du nombre de points à porter. Les supports sont représentés indirectement à travers un ensemble d'étiquettes, chacune représentant une partie de la structure (par exemple une partie de pilier, de pont, ou une jonction); et un ensemble de contraintes d'adjacence déterminant quelles combinaisons d'étiquettes sont possibles dans toutes les directions. Les supports sont générés de haut en bas en attribuant de façon répétée une étiquette à un voxel, puis en propageant les contraintes afin d'éliminer les étiquettes rendues impossibles. Cet algorithme, les contraintes d'adjacences et les heuristiques utilisées sont conçues ensemble pour générer des supports sans essai-erreur ou retours arrière, typiques du MS et autres méthodes similaires.

Layout problems appear in many areas of engineering and computer science. Typically, a layout problem requires to spatially arrange and interconnect a number of geometric elements in a domain. The elements can have a fixed or variable size, as well as an arbitrary shape. The domain may be be a volume, a planar region or a surface. It may be fixed or allowed to reshape. The interconnections may be simple paths, shared contact regions, or both. A set of constraints and objectives complement the problem definition, such as minimizing interconnection length, fixed positions for some elements, and many others. Layout problems are ubiquitous: floorplanning in architectural design, video game level design, industrial facility layout planning, electronics physical layout design, and so on. Topological constraints often arise in layout problems. Topology considers objects as defined by their elements' neighborhoods, without consideration for their specific geometry of placement. For example, a graph is a purely topological structure, consisting only of the relationships between its nodes. On the other hand, a graph drawing needs to specify the position of its nodes, i.e. the geometry of the graph. This thesis focuses on tackling two specific layout problems subject to topological constraints arising in computational design and fabrication. These are electronic circuit physical layout generation and 3D printing support generation. The first contribution is an entire system for the design of freeform RGB LED displays through bendable circuit boards. Typical rigid PCBs are made to bend by strategically using kerfing, i.e. cutting patterns into the board to create `hinges' where it needs to fold. The system takes a low-poly mesh as an input and outputs fabrication-ready blueprints, that can be sent to any online PCB manufacturer. After fabrication, the display is obtained by folding the circuit over the 3D printed mesh. The LEDs are commonly found on commercially available LED strips and are easy to control. Thus, the display can be used through a programmable interface to generate impressive lighting effects in real time. The global layout problem is decomposed into local per-triangle sub-problems by exploiting the chain topology of the electronic circuit, the final layout being obtained by stitching the local solutions. Instead of traditionally following the physical design pipeline, i.e. schematics design, component placement and routing; we decide the number of components, their placement and their routing per-triangle on the fly. The second contribution is a procedural algorithm for generating bridges-and-pillars supports for 3D printing. These supports have been shown to print reliably and in a stable manner in [DHL14]. Unfortunately, the previous algorithm struggles to generate supports that do not intersect the object, leaving visible scars on its surface after support removal. Additionally, its complexity scales with the number of points to support. We propose an algorithm based on emph{Model Synthesis} (MS) [Mer09] to generate these supports, with an implicit knowledge of object avoidance and a complexity independent of the number of points to support. Our algorithm works on a voxelized representation of the object. The supports are encoded in the algorithm with a set of labels, each representing a part of the structure (e.g. a pillar block, a bridge block, a pillar-bridge junction); and a set of adjacency constraints defining all possible label combinations in every direction. The supports for an object are generated top to bottom by repeatedly assigning labels to voxels and propagating constraints to remove inconsistent labels in the domain. The algorithm, adjacency constraints and heuristics are co-designed to avoid the need for trial-and-error or backtracking, typical of MS and similar approaches.