填充路径规划与支撑算法在3D打印中的研究与设计

摘要

较传统制造业来讲，3D打印（3D Printing）技术是对CAD等建模软件的模型数据一种直接的造型技术，采用软件输入、硬件输出的全自动数字造型模式，降低了造型工艺的技术门槛与造型过程的劳动力成本。不仅如此，采用液体、粉末、金属、食材等材料的3D打印打破了制造业的行业局限，给人们生活生产带来了极大的便利。 除了需要硬件上的支撑，切片引擎是3D打印技术软件部分的核心组件。3D打印切片引擎通过对CAD等造型软件模型数据的分层、填充及支撑计算来控制整个打印机的打印流程。其中引擎中的填充算法和支撑算法直接影响打印模型的成型质量。因此对于这两种算法的研究与改进是一直是3D打印技术中重要的工作。 文章通过对现阶段主流切片引擎的填充算法与支撑算法的分析，结合国内外最新的研究成果提出了运用图像分割技术的基于 Voronoi图填充算法和基于距离区域划分的自适应支撑算法。运用图像分割技术的基于Voronoi图填充算法是采用分治算法的思想，将复杂多连通多边形利用图像分割技术分成多个单连通多边形然后进行Voronoi图的构造，最后生成填充路径。基于距离区域划分的自适应支撑算法是在对打印模型待支撑区域进行区域细化分类，综合柱状支撑和树状支撑的支撑构造方式。运用图像分割技术的基于Voronoi图填充算法和基于距离区域划分的自适应支撑算法可以有效减少3D打印在打印过程中喷嘴的空驶次数、喷嘴回抽次数及喷嘴变加速次数和避免喷嘴与物理模型薄壁的触碰，极大的节省打印材料和缩短打印时间。最后通过对算法的封装与实验测试，验证了两种新算法的可行性与实用性。

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