三维超材料微纳加工中自适应切片新方法的研究

摘要

超材料（Metamaterial）是一种由三维微纳结构构成的人工复合材料，具有天然材料所不具备的超常物理性质，可以实现某些奇异功能或者在相同的功能上会表现的更加优越。
　　超材料具有广阔的应用前景，在微电子、微光子、航天航空等领域受到了广泛的关注。为了使三维超材料在这些领域取得成功应用，关键在于高效精密且低成本地实现三维超材料的制造。基于飞秒激光双光子聚合（Two Photon Polymerization，简称TPP）的加工方法被认为是最有效、最有发展前途的工艺方法之一。这种加工方法利用了增材制造（Additive Manufacturing，简称AM）技术原理，其核心思想是“切片——叠加”。本文主要从三维超材料微纳加工过程中数据模型的特征、优势分析及其可视化和切片处理三个方面进行详细的研究，主要包括以下内容：
　　（1）为了保证三维超材料的几何表达精度以及获得合适的数据存储量，本文在一种新的接口文件格式——增材制造文件格式（Additive Manufacturing File Format，简称AMF）的数据模型框架下来实现对三维超材料结构的表达。详细的分析研究AMF文件的数据结构、几何原则以及AMF模型的曲面、曲边三角形网格；并通过对比高脚杯模型的AMF文件和STL文件的存储量大小，分析AMF文件的数据存储量优势。
　　（2）利用三维图形库OpenGL的图形渲染处理能力和交互式场景处理能力，在Visual C++6.0环境下采用MFC的方式进行编程，完成了AMF文件数据的读取、存储以及AMF模型的变换、绘制及显示等处理，从而实现基于飞秒激光双光子聚合的三维超材料微纳加工过程中AMF模型的可视化，并对高脚杯的AMF数据模型进行显示。
　　（3）提出基于三角形网格坐标信息排序的自适应切片算法：为了便于判断三角形网格与切平面的位置关系，根据三角形网格的z轴坐标信息对其进行排序；分析三角形网格和切平面的位置关系，并进行交点坐标的计算；分析切片处理过程中的原理性误差——阶梯效应及其正、负偏差，从而提出获得统一正偏差的截交平面选择原则以及自适应切片处理过程中切片厚度的变化原则，并利用三角形网格的法向量与切平面夹角的变化，建立确定自适应切片厚度的数学模型；将切片算法应用于实例，通过分析高脚杯AMF模型的切片处理结果，对切片算法进行验证，分析该算法的可行性。

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第一章 绪 论

1.1 课题的来源及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的主要研究内容

第二章 三维超材料AMF数据模型研究

2.1 引言

2.2 AMF数据模型研究

2.3 AMF文件存储量特征

2.4 本章小结

第三章 AMF数据模型可视化研究

3.1 引言

3.2 可视化开发策略

3.3 OpenGL可视化程序设计设置

3.4 AMF模型数据读取

3.5 AMF模型的绘制及显示

3.6 本章小结

第四章 AMF数据模型自适应切片研究

4.1 引言

4.2 AMF模型自适应切片处理基本流程

4.3 AMF模型自适应切片算法

4.4 AMF模型自适应切片算法实例应用

4.5 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 工作展望

致谢

参考文献

作者简介

攻读硕士学位期间研究成果