基于3D打印过程的可视化仿真

摘要

3D打印技术是一种快速成型技术。它在计算机控制下逐层打印出3D模型。熔融沉积成型技术就是3D打印中的一项技术。熔融沉积成型技术是通过将丝状材料如热塑性塑料、蜡或金属的熔丝从加热的喷头挤出，按照模型每一层的预定路径，喷头以一定的速率进行熔融沉积。每完成一层打印，工作台下降一个层厚进行新的一层的沉积，如此迭代沉积最终打印出预期的模型。因此它需要外部支撑架来支撑起打印模型。
　　在研究熔融沉积成型打印支撑中，现阶段的主流方式都是通过实际打印来验证算法与想法的可靠性，然后根据不同的情况以调整算法中的参数。对于熔融沉积成型打印技术，由于它本身技术的局限性，在测试算法的可靠性时，通常需要大量时间去打印模型以弥补细节问题。而时常由于算法鲁棒性的不足，造成打印的失败。这不仅浪费了成本，浪费了材料，也降低了验证的效率。
　　本文提出了通过计算机可视化仿真来验证模型在添加支撑后的打印结果。这是一种全新的验证方式，其目的是利用计算机的运算能力，快速获得现实中的打印结果以减少打印验证时间。本文首先讲解了如何模拟熔融沉积成型的3D打印机。之后分析了数据存储模型，并选择了线段作为本工作的存储对象。然后本文利用了弹簧质点模型的特点，运用了L-BFGS优化算法获得每一层的最终打印状态。并通过实验验证本文工作的可行性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景

1．2 相关工作

1．2．1 Skeinforge外部支撑

1．2．2 树叉型外部支撑

1．2．3 桥梁型外部支撑

1．3 本文工作

1．4 论文内容与结构安排

第2章 打印过程可视化

2．1 FDM-3D打印机细节分析与实现

2．1．1 G-code分析

2．1．2 FDM-3D打印机硬件状态分析

2．1．3 FDM-3D打印机硬件实现

2．2 数据存储模型与可视化分析

2．2．1 可视化软件选择

2．2．2 数据存储模型分析与实现

2．3 本章小结

第3章 线段仿真模型与优化算法

3．1 弹簧质点模型

3．1．1 弹簧质点模型

3．1．2 薄壳模型

3．2 线段仿真

3．3 优化算法及分析

3．3．1 牛顿法

3．3．2 拟牛顿法

3．3．3 BFGS与LBFGS

3．3．4 小结

3．4 本章小结

第4章 实现细节与对比结果

4．1 实现细节

4．2 结果对比

4．2．1 实验设备

4．2．2 无支撑打印结果对比

4．2．3 类Skeinforge对比

4．2．4 树叉型外部支撑对比

4．2．5 桥梁型外部支撑对比

4．2．6 总结

4．3 本章总结

第5章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间主要的研究成果

致谢