快速成形技术中基于STL模型的分层算法研究

提出了一种基于STL模型新的分层算法.通过分析STL模型三角形面片之间的邻接关系,建立了有向图,采用递归分层方法实现了具有容错能力的快速分层.为了进一步提高算法的效率,对算法进行了改进,首先,利用所谓信息继承技术确定了每个截面轮廓第一个切割的三角面片;然后,根据每个轮廓环第一个切割的三角面片,直接确定了截面轮廓的正确走向.实验表明,该算法不仅能够高效实现STL模型的分层,而且运行稳定可靠.     

逆向几何求交方法的STL模型分层算法

为了解决三维网格曲面(STL)模型分层算法分层计算效率不高的问题,提出了一种可实现STL曲面模型快速分层的逆向几何求交算法。通过遍历三角面片顶点坐标,确定模型最小包围盒。利用分层面分割STL模型,散列表数据结构记录分层面坐标。在此基础上,计算连接截交线,生成模型轮廓,实现模型的快速分层。实验结果证明:该算法可对各种结构的STL模型进行分层,具有可靠、稳定和效率高等优点。     

基于CAD模型外轮廓线的3D打印自适应分层算法

3D打印计算机辅助设计(CAD)模型转换标准三角形语言(STL)文件过程中,存在表面精度下降,结构体信息丢失的问题.文中提出一种基于CAD模型外轮廓线的自适应分层方法.即采用角度分组思路,通过引用一系列过Z轴的平面对CAD模型等转角剖切,并将剖切面与模型外表面相交轮廓线绕Z轴旋转至XOZ平面内进行轮廓线微分段处理,然后利用三角函数关系、概率统计方法、加权方法综合计算获得3D打印STL文件每一层的自适应分层厚度值.打印实例分析结果表明,文中算法可减少STL文件的转换误差,提高3D打印精度和打印效率.     

冰雪颗粒3D打印的材料填充算法

根据所提出的冰雪3D打印机器人的课题研究需求,针对冰的物理特性,提出颗粒材料的3D打印方法。采用六方紧密堆积的规律,对颗粒的填充规划算法进行了研究。读取STL模型文件数据,研究了三角面片和切平面的匹配方法,提出采用黄金分割的匹配计算方法。针对分层后轮廓的颗粒填充问题,提出采用平面颗粒填充网格模板与轮廓曲线进行比较筛选的规划方法。计算实例证明,黄金分割查找实现三角面片与切平面匹配比二分法具有更高的效率;这种颗粒材料填充规划算法对复杂的实体造型均有效。     

基于FDM技术的阶梯效应弱化及特征保留自适应分层算法

当FDM-3D打印在模型细节特征较多、外轮廓曲率变化较大时,阶梯误差明显且无法有效保留细节特征.以列表排序法去除STL模型冗余数据并重新建立其三角面片拓扑关系,并提出一种基于FDM技术的自适应分层算法.该算法将3D打印自适应层厚计算问题分解为弱化阶梯效应与保留细节特征两部分,将阶梯误差分别描述为体积误差与尖端高度,模型特征以点、线、面的形式分别计算,得出4个自适应层厚分量并加权结合,以防止特征遗漏为目的,确定下一个分层扫描面高度.与常规等厚分层算法相比,该算法试验模型成型时间缩短30%、分层数减少27%、体积误差缩小34%,且表面质量更佳,在保证3D打印成型质量的前提下,能够最大程度地减少分层数.     

基于信息继承的快速分层处理算法研究

分析了现有STL（STereoLithography)模型分层处理算法的优缺点，并在此基础上提出了一种基于信息继承的加快分层处理速度的算法。该算法根据三角形面片的最小z坐标建立了分层关系矩阵，利用该分层关系矩阵可大大提高搜索与分层平面相交的三角形面片的搜索效率，从而提高了分层算法的效率。该算法不但吸取了现有分层处理算法的优点，而且在计算第I层的轮廓线时，继承和充分利用了第I－1层已经有的几何邻接关系，加快了轮廓线的生成速度。实际应用表明，该算法高效，稳定，可靠。     

基于水平扫描线算法的STL模型三维网格化

借鉴快速成形技术中的分层切片思想，针对立体光刻（STL）表面模型，提出一种高效、稳定的三维网格自动生成算法．首先，将STL模型沿Z向剖切成叠层的二维切片环；然后，采用水平扫描线算法离散各层二维环区域，生成均匀、连通的矩形网格；最后，将各层中所含的小矩形沿Z向拉伸至各自上一层高度，从而将表面模型重构为立方单元组成的三维网格．实际算例显示：基于该算法的三维网格自动生成程序可以在保证网格高精度的前提下，有效地提高计算效率，并降低空间复杂度．     

利用面片法向量保留模型特征的3D打印自适应分层算法

针对传统算法计算复杂、不能有效保留模型特征的问题,提出一种以STL文件中三角面片法向量为计算基础、可以减小台阶效应并且识别和保留模型特征的自适应分层算法。首先计算面片法向量在分层方向上的分量,识别出分量较大处即为模型表面倾斜角度较小的地方,在该地方采用较小的分层厚度以减小台阶效应。然后给出一种识别模型特征的方法,利用面片法向量计算模型面片之间的二面角大小和顶点的复杂程度,识别出模型表面的锐边和复杂点特征。接着在特征附近采用较小的分层厚度以保留模型特征,其余地方采用较大的分层厚度以减少打印时间。最后检测遗漏的三角面片并对分层厚度进行修正,以防止模型特征丢失。实验结果表明:对于实验所采用的哑铃模型,所提算法能识别出传统算法识别不出的非局部最高或最低特征点;对于龙猫模型和锥体模型,本文算法可以识别出所有模型特征,并且可以根据模型特征的复杂程度调节分层厚度,在保证尖端高度分别为0.400 mm和0.355 mm的前提下,分层数较传统识别模型特征的自适应分层算法分别降低了2.5%和1.2%。     

快速成型制造中的工艺支撑自动生成技术

提出了快速成型制造中的两工艺支撑新形式（向下特征支撑和局部支撑）。针对向下特征支撑形式，提出并实现了基于一维几何元素集合运算的支撑自动生成算法；针对局部支撑形式，提出并实现了基于STL(Stereolithograhy)模型三角面片拓扑分析与空间运算的支撑自动生成算法。结合SL(Stereo Lithography)工艺，进行了带支撑零件的成型。工艺实验证明，提出的工艺支撑自动生成技术不仅可自动地对STL模型添加合理的工艺支撑，而且可实现切片操作和扫描数据生成的融合。该技术可明显提高快速成型系统的加工效率与集成度，同时又降低系统的成本。     

基于顶点偏置的STL模型刀具轨迹生成

为生成STL模型无干涉的刀具轨迹，利用与顶点相连的各三角面片的法向向量，计算出各项点的偏置点，并由这些偏置点构造完全由三角面片组成的偏置模型：用平行截面对偏置模型进行切片，在二维空间内对所得交线段进行裁剪与连接处理，得到刀具轨迹。算法实例表明该方法具有可行性。     

基于空间离散化的STL模型布尔运算

针对传统STL模型布尔运算方法效率低和精度差的问题是,提出一种空间离散STL模型三角面片的算法,该算法可快速排除大量不相交的三角面片,减少三角面片求交计算次数,提高计算效率.同时采用一种规避奇异位置的算法,避免对奇异位置的复杂计算,解决了布尔运算中奇异点的问题,提高了计算精度.实验结果表明所提算法高效准确.     

基于STL的快速分层处理软件的研发

分析了影响分层处理效率的主要因素，提出了基于三角形面片特征的快速排序算法、轮廓线快速生存算法和快速分层算法，并在此基础上开发了基于STL模型的快速分层处理软件。大量实际应用结果表明，该软件高效、稳定、可靠。     

基于STL模型的表面区域递归拾取算法

针对传统基于立体平面印刷 (STL)文件的三维模型表面区域拾取生成算法速度慢、效率低且不易识别裂缝等非正常情况,提出了一种采用递归搜索的表面区域快速拾取算法.该算法利用模型中所有三角面片构造拓扑信息,通过面片相邻和边重合关系递归搜索,对每个满足条件的三角面片只搜索一次,因此大大提高了生成速度,其算法效率达到O(n);还容易识别出STL文件的裂缝等非正常情况,自动生成三维区域轮廓边界环.该算法已在光固化、选择性烧结快速成形等的支撑生成中得到应用,不仅计算速度得以提高,而且工艺质量大为改善,达到了很好的效果.     

基于型面曲率的三角网格快速自适应细分算法

提出一种基于型面曲率的三角网格快速自适应细分算法.该算法通过建立三角网格动态空间索引结构,快速准确获取局部型面参考数据并计算型面曲率.对曲率较大区域进行细分,对较平坦区域只进行网格顶点重定位,不进行面片分裂,实现三角网格的自适应细分.实例证明该算法可提高模型的光顺性与细分效率,以相对较少的面片准确表达模型型面特征信息.     

一种快速3D打印分层方向确定算法

针对减少3D打印等分层制造应用中成型的模型实体与理论模型之间的体积偏差,提出一种快速精确的分层方向确定算法。通过分析体积偏差的产生原因和理论模型,明确了统一分层厚度下使体积偏差最小的分层方向,是与模型面片面积加权法向量内积绝对值之和最小的单位向量,将最优方向选取问题转化为最小绝对偏差线性回归问题。用最小二乘准则近似最小绝对偏差准则,并用基于该准则的主成分分析方法,对加权法向量的散列矩阵进行特征值分解,从特征向量中快速确定最优的分层方向。针对多个不同复杂程度的模型进行评估实验,结果表明,该算法能在保证精度的前提下将运算量减少80%,适合于复杂精细模型的分层制造应用。     

基于STL的快速分层处理软件的研发

分析了影响分层处理效率的主要因素,提出了基于三角形面片特征的快速排序算法、轮廓线快速生成算法和快速分层算法,并在此基础上开发了基于STL模型的快速分层处理软件.大量实际应用结果表明,该软件高效、稳定、可靠.     

基于主平面切片的3D模型检索方法

提出一种改进的基于切片的3D模型检索方法。首先，将查询模型进行归一化处理，然后，在模型正交主平面的三个方向上进行多次切割，根据所得裁剪平面轮廓点的分布特征计算模型的特征向量，最后根据该向量进行3D模型检索。利用普林斯顿大学的所提供的3D模型库的标准模型作为实验数据进行实验，结果表明，与原有基于切片的3D模型检索算法相比，本文方法能更加有效的检索。     

复杂型腔锻模电弧增材再制造分层切片方法

为解决复杂型腔热锻模具自动化电弧增材再制造过程中分层切片过程效率低和效果差等问题,提出了一种改进的切片方法.首先,针对STL模型的结构特点,设计了Point,Triangle和STLModel三个类对模型的数据进行存储,在类中定义了处理和操作数据的方法;从提高操作效率的角度出发,提出了一种先求三角形与切平面交点并通过法向量判断交点的起始顺序,进而通过遍历起点和终点数组来创建轮廓多边形环的复杂型腔锻模分层切片算法.然后,引入了提高轮廓多边形精度的插值拟合修复算法,推导了轮廓顺逆判据的一般公式并构建了离散多边形的计算式.最后,以失效的曲轴热锻模具为例,进行了分层切片处理和增材制造过程模拟仿真和实验,验证了分层切片算法的可行性.     

激光快速成型系统中STL文件浏览器的设计与实现

基于OpenGL技术,结合激光快速成型系统的特点,设计并实现了一个STL文件浏览器,通过计算三角行面片每个顶点的法矢向量,得到了真实感较强的三维几何实体模型的显示效果,并实现了平移、旋转和比例缩放等模型辅助变换操作;重点研究了STL文件数据的读入、模型的拓扑信息提取,模型的辅助变换、正确性的校验、STL文件分层切块和STL文件的保存处理的算法实现,为后续的软件的处理打下了很好的基础;该技术在很多预处理软件中都有成功运用。     

一种改进的三维网格凸度衡量方法

针对现有方法需要不断地调整投影方向、时间消耗大的缺点,提出了一种改进的三维网格凸度衡量方法,该方法只需在物体主方向投影一次,减少了时间消耗.该方法首先采用主成分分析(Principal Component Analysis,PCA)计算网格模型的主方向,然后计算模型在主方向上的投影面积和网格模型中每个面片在主方向上的投影面积之和,将它们的比值作为凸度值的初始估计,最后在主方向上对模型进行切片处理,计算所有切片的二维凸度值的加权平均,并将其作为凸度值的修正.实验结果证明,这种改进的凸度衡量方法在计算速度上比现有方法更快,而且更加符合人类的视觉感知.