零件成形中切片分层算法的分析与探讨

Zhu等分析了成形后材料去除过程中存在的问题，以刀具的可加工性、去除所需时间和支撑数量为优化目标，对零件做成形方向的选择。在上述单、多目标优化的文献中，涉及到表面质量的优化时，不少学者选择通过台阶效应引起的体积误差大小来衡量，也通过实验证明了有效性。但这些工作都是基于等厚分层，即计算体积误差时设置的层厚是常量，若模型在成形时选择自适应分层，最佳成形方向就必须重新确定。

切片是将三维模型离散成二维截面的一个过程，切片过程存在两个关键要素：第一个是确定各层切平面高度；另一个是在确定高度后生成完整且有序的截面轮廓线。

针对这两部分，国内外学者进行过很多相关的研究。若根据分层对象的不同，可分为CAD模型直接分层和基于STL模型分层。若根据层高的不同，现有的切片算法可分为等厚分层和自适应分层。目前还有一些学者研究模型的多方向分层，但将模型进行旋转变换后仍然可以归结到这两类中。这类方法需要完成拓扑关系的建立，使得三角形面片从原先无序变得“有序”。生成轮廓前一般都要先去除冗余顶点，然后建立点、线、面之间的关系，使得某个三角形能够通过点、线共用关系检索到与之相邻的三角形，最后从最低层开始任选当前高度的一个三角形，有序计算交点，直到回到初始三角形，形成完整且有序的轮廓。

相邻两切片层的三角形面片在组成上是有一定程度的相似性的，因此相邻层的三角形面片有一部分拓扑关系相同，这类方法就是利用这个重复性，建立动态的三角形面片来进行分层。当进入下一层分层时，加入新相交的三角形补充局部位置的拓扑关系并删掉已经不存在相交关系的三角形，反复执行以上过程直至完成整个模型的分层。

王素提出了一种与上述三类均不同的方法，提出了基于邻接关系的切片算法。算法利用三角形的邻接关系而不是建立拓扑关系，只需遍历一次STL模型数据即可完成分层，提高了算法的效率。

Zhang等提出了一种高效的轮廓构造算法，也具有类似的思路，利用三角形的邻接关系进行轮廓构造。算法将三角形与切平面的两条相交边划分为“前边”和“后边”，避免了交点的重复计算，还使得分层后能够直接区分内外轮廓，通过实例表明算法的效率和内存消耗都十分优秀。

对于自适应分层算法，由于层厚不是常数，因此除了也要完成轮廓构造外，还需要确定一系列切平面的高度。
Sabourin提出首先使用尽可能大的层厚切分模型，然后根据表面精度通过“插补”进一步细分层厚，达到所需的表面精度。
Zhao等为减少台阶效应和控制总层数提出了利用相邻截面面积差值比，控制相邻层面积差值不超过一定比例并在设备的打印范围内确定各层厚度，从而达到兼顾表面精度和成形效率。
李文康等分析了分层时模型特征丢失的情况，利用表面复杂度和切片的轮廓段数判别模型某一位置出现特征变化，在这个位置采用最小层厚以最大限度的保留模型特征。

等厚分层因为层厚不变，因此主要研究内容放在如何有序、完整地生成截面轮廓，解决相交判断、交点求交和构造轮廓这几个问题，而自适应分层更多的是放在确定各层切片厚度上，协调打印质量和效率。但现有的分层算法在处理网格数量庞大的模型或切片细密时仍存在效率上的问题。

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