熔融沉积成型技术分层算法和扫描填充路径规划研究

摘要

3D打印技术是一种新兴的先进制造技术，它集成了机械、电子、光学、材料学、计算机等多个学科的最新技术，其应用范围遍布国防、医疗、航空航天、教育、汽车、建筑等多个领域并日渐深入。与传统的减材制造不同的是，3D打印技术属于一种增材制造。3D技术已经有许多分支，其中熔融沉积成型技术因设备简单、清洁环保等优点广受青睐。
　　本文主要针对熔融沉积成型技术的前处理过程展开研究，包括3D打印通用文件格式STL文件的结构与读取、确定分层厚度的分层算法、扫描填充路径的规划等几个部分。STL文件中存在多个三角面片共用一个顶点的现象，改进后的读取算法可有效去除重复数据并提高读取效率。成型制件的表面质量受台阶效应的影响，台阶效应可通过降低分层厚度来减轻，分层厚度太小则会影响成型效率，在综合分析已有的等层厚分层算法和自适应分层算法的基础上，对于等层厚分层算法，提出了一种基于局部拓扑信息的三角面片双向排序分层算法；对于自适应分层算法，分析了比较常见的基于面积变化率和周长变化率的自适应分层算法和保留模型特征的基于体积的自适应分层算法，根据其优缺点结合基于局部拓扑信息的三角面片双向排序分层算法提出了一种新的自适应分层算法，并对其关键步骤进行实例分析。对于扫描填充路径的规划，为兼顾成型效率和成型质量，在分析基本扫描方式及其算法的基础上，对于分区扫描填充和轮廓偏置扫描填充所存在的偏置轮廓交叉等问题，提出了一种环切分解算法对轮廓截面进行分区，改进了凹多边形凸分解算法。在分区扫描填充的基础上，引入了可变丝宽扫描的概念，根据扫描填充路径规划的基本原则提出了一种基于轮廓偏置法和变丝宽扫描的新型扫描填充方式。

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摘要

ABSTRACT

Contents

1 绪 论

1.1 研究背景与意义

1.2 3D打印技术简介

1.3 熔融沉积成型技术原理与特点

1.3.1 成型设备结构组成

1.3.2 工艺流程

1.3.3 成型特点

1.4 国内外研究现状

1.4.1 国外发展现状

1.4.2 国内发展现状

1.4.3 分层算法和扫描填充路径规划研究现状

1.5 存在的主要问题

1.6 本文主要研究工作

2 STL格式文件的结构与读取算法

2.1 STL文件结构分析

2.1.1 二进制文件格式

2.1.2 ASCⅡ文件格式

2.2 STL文件的读取

2.2.1 STL文件的读取

2.2.2 去除三角面片冗余顶点

2.2.3 读取结果分析

2.3 本章小结

3 基于STL模型的分层算法

3.1 台阶效应与模型特征的概念

3.1.1 台阶效应的成因和影响

3.1.2 模型特征的概念

3.2 分层过程的基本流程

3.3 等层厚分层算法

3.3.1 基于三角面片位置信息的分层算法

3.3.2 基于几何拓扑信息的分层算法

3.3.3 基于STL网格模型几何连续性的分层算法

3.3.4 基于局部拓扑信息的三角面片双向排序分层算法

3.3.5 基于局部拓扑信息的三角面片双向排序分层算法实例

3.3.6 三角面片与分层面的求交

3.4 自适应分层算法

3.4.1 保留模型特征的基于体积的自适应分层算法

3.4.2 基于面积变化率和周长变化率的自适应分层算法

3.4.3 一种新的自适应分层算法

3.4.4 分层实例结果展示

3.5 本章小结

4 扫描填充路径分析与规划

4.1 常见的扫描填充方式

4.1.1 直线扫描方式

4.1.2 轮廓偏置扫描

4.1.3 分区扫描

4.1.4 复合扫描

4.2 扫描填充路径规划的基本原则

4.3 直线扫描算法和轮廓偏置算法

4.3.1 直线扫描算法

4.3.2 轮廓偏置扫描算法

4.4 偏置轮廓有效性判断和自相交问题

4.4.1 偏置轮廓有效性判断

4.4.2 偏置轮廓的自相交问题

4.5 基于轮廓偏置和变口径喷头的扫描路径规划

4.5.1 内外轮廓的判定与分组

4.5.2 可连轮廓组分解为单联通区域

4.5.3 凹多边形凸分解

4.5.4 扫描路径规划

4.6 成型效率评价

4.6.1 丝宽模型的建立与分析

4.6.2 成型效率评价

4.7 本章小结

5 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 研究展望

参考文献

致 谢

攻读学位期间取得的学术成果和获奖情况