面向FDM三维打印机的打印路径和模型分解问题研究

摘要

三维打印是在制造业领域蓬勃发展的一项新技术，是“具有工业革命意义的制造技术”。三维打印又称为增量制造，它可以打印出结构高度复杂且轻盈稳定的产品原形。三维打印的核心思想在于逐层打印，通过层层之间的不断累加制造出整个三维模型。随着三维打印技术普及，人们对打印效率和成型质量的需求变得越来越高。一方面对喷头的移动路径规划可以有效的提高打印效率；另一方面在打印过程中在结构悬空的地方需要打印一些支撑结构以作支撑，这样做既会造成材料上的浪费和降低打印效率，又需要手工的去除这些多余的支撑结构。因此对喷头的移动路径规划和打印前模型的分解是其中的关键问题。 本文针对喷头的移动路径规划和打印前的模型分解进行了研究，包括路径规划问题中模型的体素化，模型分解问题中的凸分解和金字塔分解等。主要的研究成果有： (1)在喷头的移动路径规划问题中，关键在于将模型体素化后利用四邻域的相关知识将喷头的移动路径规划问题转化为旅行商问题来解决。考虑到已有的三维打印路径规划方法编程实现复杂，搜索速度慢等缺点，本文提出了基于改进回溯算法的三维打印中喷头的最优移动路径规划方法。该方法采用先将三维模型体素化，然后根据四邻域的相关知识对各层的体素点之间的权值进行划分，将喷头的路径规划问题转化为旅行商问题，然后借助改进的回溯算法得到喷头的最优移动路径规划。实验表明，在参数设置适当的情况下，本文的算法运行速度快且能够给出质量较高的近似解。 (2)在模型分解问题中，本文提出了基于Delaunay三角剖分的近似凸分解的三维模型分解。首先将三维模型进行Delaunay三角剖分，使用四面体的集合来近似的表现三维模型；然后根据自上而下的分层方法递归地分割所计算的四面体，该分裂过程连续应用于生成的子部分，直到达到凹度阈值。为了保证不重叠的凸包，根据一系列基于凹度，平衡和对称标准剪裁平面来分割对象；之后在最大凹度标准下连续地合并所生成的凸包；最后对所获得的凸包进行重新采样，在保证近似精度的前提下，以最小化它们的复杂性（即它们的三角形数量），这样得到的三维模型可以由若干个凸块组成，将每个凸块分别打印，再粘贴成型，使得打印过程中不需要支撑结构，既节省了打印材料，又提高了打印效率。

目录

声明

引言

1绪论

1.1课题研究的背景和意义

1.2国内外研究现状和发展趋势

1.2.1 FDM三维打印中喷头的路径规划研究现状

1.2.2 FDM三维打印中模型分解研究现状

1.3 FDM三维打印中路径规划和模型分解面临的主要问题

1.4本文研究的主要内容

2相关技术概述

2.1三维模型体素化分层以及旅行商问题

2.1.1三维模型体素化分层

2.1.2旅行商问题解决方法

2.1.3四邻域理论基础

2.1.4三维打印模拟

2.2模型分解相关方法介绍

2.2.1理论基础

2.2.2 L-BFGS超收敛算法

2.2.3跳舞链接

2.3本章小结

3 FDM三维打印中喷头的路径规划

3.1模型体素化分层

3.2路径规划

3.3算法实现

3.4实验结果

3.5三维打印模拟仿真

3.6本章小结

4 FDM三维打印中模型分解

4.1 Delaunay三角剖分

4.2分层分割

4.3凸包合并

4.4适应性凸包重采样

4.5实验结果

4.6本章小结

5总结与展望

5.1论文总结

5.2未来展望

参考文献

在学研究成果

致谢