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3D打印中成形方向及轮廓构造算法的改进探索

来源:杰呈3D打印 发布时间:2025-10-17 14:05:46 浏览次数:0
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从3D打印的历史背景出发,阐述了3D打印的基本原理和目前常见的几种成形工艺,并介绍了3D打印技术的现状和发展趋势。以此为基础,从以下几个方面对3D打印进行了研究:

STL文件读取及可视化

介绍了3D打印中最为常用的STL文件,比较分析了两种不同表示方法的STL格式,并根据数据特点构建了存储结构。使用C++语言并结合OpenGL技术实现模型的渲染及可视化。

成形方向优化

针对目前算法仅考虑在等厚分层的前提下进行优化的问题,提出基于自适应分层的模型成形方向优化算法。

  • 在自适应分层的基础上,将不同成形方向下实际模型与理论模型之间的“差异”以体积误差的形式量化,得到成形方向和体积误差之间的数学函数。
  • 通过STL模型的坐标变换使得自适应分层能沿任意方向进行,随后分析了三角形面片与分层平面之间的位置关系,并完成整个模型的体积误差计算。
  • 选取全局搜索能力最优的遗传算法在全局范围内搜索最优解,得到最佳成形方向。

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一种改进的高效轮廓构造算法

针对目前切片算法在处理具有大量网格的高精度STL模型或切片细密时算法效率低下的问题,提出了一种高效轮廓构造算法。

  • 首先分析了交点在进行轮廓构造时所有可能出现的情形,并将这些情形用枚举类型进行保存。
  • 然后根据三角形顶点的Z坐标数值建立了分层区域的概念,并按交点所在的分层区域对所有交点进行分类。
  • 通过数据结构的设计和两个核心规则的建立使得算法能够避免大量的链表遍历和检查,大大简化了轮廓构造过程。
  • 同时算法将所有交点以“二维”数据的形式保存,并使用增量算法计算交点,进一步降低了内存占用和计算量。

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软件系统的开发

利用Visual Studio 2017进行软件开发,主要内容包括:

  • 界面的设计
  • 模型的旋转、平移、缩放与视图变换
  • 上述算法的实现与结果显示等

软件操作简便,具有良好的交互性。

计算机在读取不同格式的三维模型时,只有按照特定格式的规则来读取,才可以正确地读取模型中的数据信息。其中STL格式是目前3D打印机支持率最高的格式,几乎所有的CAD软件都支持将3D模型输出成STL格式。STL文件通过大量三角形网格来逼近实体表面,显然三角形面片数量越多模型的精度就越高,也越接近实体表面,但相应的体积也会随之增大,同时会造成后续数据处理的复杂度增加。

STL文件有2种表示方法,一种是ASCII明码格式,另一种是二进制格式,这两种格式各有各的特点:

  • ASCII格式的文件可读性好,模型数据直观明了,但磁盘占用量大;
  • 二进制格式虽可读性差但磁盘占用少,约为ASCII明码格式的1/6。

ASCII格式使用记事本可直接打开,每个三角形法向量和顶点的坐标信息都可以编辑和修改。与ASCII使用标识符来提示输出信息不同,二进制格式的STL文件以固定的字节数循环给出每个三角形的数据信息。


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