改进STL分层算法在机械零件3D打印中的应用研究

为提高三维(Three dimensional, 3D)打印机械零件生产方式的生产效率和产品质量，研究提出一个改进的光固化立体造型术(Stereolithography, STL)模型分层算法，该算法采用层厚关联方式对STL模型进行同步分块处理，并结合三角网格面片的顶点信息与法向量信息重构邻接拓扑关系，形成切片平面的网格面片环，并以此为基础对STL模型进行优化分层切片。实验结果显示，该算法在分层厚度为0.30mm条件下的分层算法轮廓算术平均偏差均值为0.77,平均计算耗时为2.45s,均明显优于目前行业内常用的分层算法。实验结果证明，此次设计的改进STL模型分层算法在复杂机械零件3D打印生产中具有一定的应用前景，并能起到加快零件生产速度、提高打印产品表面光滑度的作用。     

一种新的STL文件缺陷的修复方法

STL文件是CAD系统和3D打印系统之间常用的数据交换文件。通过对大量STL文件的缺陷分析发现,其大部分分布在模型曲面片的交界处。依据缺陷的几何特征,提出了对原始CAD模型曲面裂缝进行边界重合的方法,以及在STL文件边界集合内根据边的邻接面数量修复缺陷的方法,并用Visual C++程序实现。实例证明所提出的方法是可行的。     

Pro/E环境下自适应分层切片算法的研究与实现

在RP中,实体模型的描述和分层片堆积成型的阶梯效应是影响快速成形零件的成型精度的主要因素.为了改善STL文件的等厚分层切片方法存在的缺陷,在Pro/E环境下,研究了基于CAD模型的自适应直接分层方法,提出了基于相邻层面积变化和法向矢量相结合的自适应分层算法,并利用Pro/TOOLKIT进行了系统的开发.该方法是在等厚分层的基础上,对最大分层厚度进行自适应分层切片处理,在保证成型精度的同时可提高零件的成型效率,为利用三维CAD软件进行直接分层处理提供了一种有效的方法.图4,参9     

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.     

快速成型中的三维数据准备

快速成型中的三维数据包括物体的三维CAD模型、通过三维数字化测量仪器测得的物体表面的三维数据点云、STL文件及三维模型的切片. 通过概念设计和反求工程中的三维扫描可以建立物体的三维CAD模型, 并着重讨论了工件表面点三维数据的获取方法及数据点云的处理, STL文件的格式、精度、分割与拼接.     

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。     

快速成型中基于STEP的直接分层算法

在研究了平面与基本曲线、曲面和参数曲线、曲面的求交算法后，提出了快速成型中基于STEP的CAD模型直接分层算法，避免了STL中间文件的转换，分层后得到层片的精确轮廓表示，并具有通用性好的优点．根据基本曲线／曲面和参数曲线／曲面的不同特征，采用不同的方法来求它们与平面的交点及交线，以提高算法的稳定性和效率．     

利用模型分解的曲面分层五轴挤出打印装置及工艺

针对传统平面熔融沉积成型(FDM)只能在平面内排布丝材,导致零件力学性能差、表面粗糙度高、浪费材料等问题,研究了曲面分层五轴挤出打印装置及工艺。首先,以球面并联机器人作为双轴转动成型平台,结合经典的并联臂型三维挤出打印机,搭建曲面分层五轴挤出打印设备;然后,以底层曲面为基准,将零件的三维模型分解为按照打印顺序排列的曲面,每层曲面再分解为按宽度铺满曲面的丝材路径;之后,按照坐标变换公式和位姿反解公式在下位机控制软件Marlin固件中编写轨迹规划函数,解释并执行零件路径规划文件进行曲面分层五轴三维打印。通过对零件进行力学试验,相同零件的五轴挤出打印比三轴挤出打印,最大破坏力由(189.37±8.7) N提高到了(445.54±52.57) N,材料消耗减少了46%。因此,低成本、高精度的五轴三维打印设备能够打印高强度、高刚度、无支撑、表面粗糙度低的零件,在曲面结构打印、无支撑结构打印以及复合材料连续打印等方面有重要的应用前景。     

基于CAD系统的快速成形层片轮廓扫描数据的直接提取

为避免快速成形中采用CAD模型的转换模型造成层片轮廓扫描数据精度损失,研究了在CAD系统内部直接提取层片轮廓扫描数据的方法．分析了层片理论轮廓扫描边界中高次曲线的离散方式,定义了层片轮廓扫描面积偏差的概念,建立了CAD模型直接分层截面轮廓边界离散模型,实现了在CAD系统内部直接提取层片轮廓扫描数据,并在聚苯乙烯泡沫材料成形机上进行了试验．结果表明,CAD系统和快速成形系统之间可以避开三维CAD模型的STL转换等近似处理环节,从而获取高品质的轮廓扫描加工数据．     

扫描速度对ZrO_2陶瓷膏体3D打印精度的影响

3D打印以其个性化定制的独特优势近年来在医疗修复领域迅速发展,挤出自由成型(EFF)工艺通过陶瓷膏体的分层堆积可以实现陶瓷义齿的定制化3D打印.以氧化锆为原料进行EFF系统的挤出成型工艺研究,主要从挤出丝、片层、立体模型3个方面探究了扫描速度对ZrO_2陶瓷膏体3D打印尺寸精度的影响.结果表明:扫描速度与打印制件精度的匹配存在最佳值,过快或过慢的扫描速度都不利于陶瓷膏体的成型;当扫描速度V_s=2 mm/s时打印的挤出丝、片层、立体模型尺寸误差小,打印精度较高.     

贵州龙化石三维数字模型的构建与3D打印

针对古生物化石数字化建模过程中存在局部特征丢失、重构精度低、色彩还原性差等问题。以贵州龙化石为研究对象，采用非接触式激光三维扫描技术获取带纹理的点云数据，基于纹理映射的局部特征修复方法，讨论了不同特征线提取法对化石表面结构拟合精度的影响，构建了高精度、真实感三维数字模型，并采用基于白墨填充技术(White jet process, WJP)的全彩色3D打印技术对化石进行复制。研究结果表明：采用纹理映射特征修复结合探测轮廓线提取特征线进行曲面重构的方法能够精确的反映贵州龙化石的结构特征与纹理色彩，模型最大偏差为-0.019 1～0.020 0 mm。彩色3D打印技术制作的贵州龙化石模型表面光滑、结构精细、纹理色彩还原度高，能够克服传统化石复制方法与普通3D打印技术的不足，对古生物化石的研究、展示、复制提供了技术参考。     

基于μ-CT断层图像的多孔材料STL建模

STL文件是三维表面模型常用的存储格式,在逆向工程、有限元分析等领域有着广泛的应用。文中基于μ-CT(超声CT)断层图像分析了多孔材料STL文件格式的产生方法。结合大津阈值分割算法与图像标记方法,清除源图像的噪声并且将孔的轮廓标记出来,再应用MC算法,对CT序列图进行三维重建,生成STL文件。实现了对多孔材料错综复杂结构的孔隙结构的建模,也改进了原STL生成算法限定条件较多、耗时较长的弊端。     

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．     

3D打印机喷头及工作台振动响应特性分析

寻找高效率、高精度、低成本的陶瓷3D打印机是3D打印技术在陶瓷材料应用方面非常重要的一部分。以柱塞式陶瓷3D打印机为研究对象,建立运动轴简化模型,并利用ANSYS Workbench软件分析柱塞式陶瓷3D打印机运动轴在单轴运动及多轴联动时,喷头及工作台的振动等动态响应数据,并通过打印样件实验,验证了喷头不断变换打印方向时,运动轴启停所造成喷头和工作台的振动,及工作台在下降打印层高时的振动对打印精度的影响微小,运动轴结构稳定,可保障打印精度。     

基于STL的约束不完全Delaunay四面体剖分

基于STL(STereo Lithography)文件描述的实体造型,应用插入多边形操作技术对实体表面进行二维Delaunay三角网格剖分,形成空间离散点集和新的约束边界;采用换面操作方法实现离散点集的Delaunay四面体构型;采用四面体外接球心和内切球心加权平均的坐标点加密四面体网格;在边界恢复操作中,采用2D-3D联动优化的方法实现边界一致性恢复,对难以恢复的局部区域,放弃Delaunay 空球准则,进行特殊处理,从而实现表面约束的不完全Delaunay四面体剖分.实例表明所提出的算法具有很好的适应性.     

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%。     

配极变换在微机上生成二次曲面轮廓线的应用

本文根据配极变换的理论,建立二次曲面轮廓线的三维数学模型。然后利用投影变换的方法将空间轮廓线投影(中心投影或平行投影)到画面上,从而得到二次曲面轮廓线的投影图。以此理论、方法为基础,在微机IBM—PC/XT上,以Auto CAD为支持软件,用FORTRAN和Auto lisp语言编程,研制了生成二次曲面投影图的软件(PTGS-3D)。文中给出该软件的概述,并给出一些由它输出的二次曲面投影图。     

激光快速成形中直接切片处理技术的研究

激光快速成形是近年来发展起来的一项高新制造技术,文章针对激光快速成形前处理过程中使用的STL(STere-oLithography)格式文件的信息冗余量大、数据处理时间长、精度差、需要检查和修改等缺点,提出了对三维CAD模型直接切片的方法,通过对模型的直接切片,能减少数据处理时间,降低文件规模,提高工件精度。直接切片的方法在MDT(Mechani-calDesktop)软件平台上得到了实现。     

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.