3D打印前处理成形方向优化与分层切片算法

在3D打印前处理算法中，对零件成形方向选择和分层切片两大关键部分进行了研究，具体内容如下：

成形方向优化

针对目前算法仅考虑在等厚分层前提下进行优化的问题，提出了基于自适应分层的3D打印成形方向优化算法，旨在进一步提高打印件的表面质量，减少后处理工作量。

算法创新点

• 量化“差异”：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。
• 坐标变换：通过STL模型的坐标变换，使自适应分层能沿任意方向进行，满足后续求解要求。
• 位置关系分析与计算：分析三角形面片与分层平面之间的位置关系，遍历轮廓链表完成整个模型的体积误差计算。
• 全局搜索最优解：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。

算法优势

实例表明，该算法能够找到在自适应分层前提下的最佳成形方向，与现有算法相比，进一步降低体积误差、提高表面质量。由于利用了分层切片的共性，本文算法能够结合各种自适应分层进行成形方向的优化，凸显了算法的通用性。

分层切片

针对现有分层算法在处理网格数量庞大或切片厚度细密时出现耗时太长的问题，提出了一种改进的高效轮廓构造算法。

算法创新点

• 探讨异同与提出算法：深入探讨了相邻两层切片在轮廓构造上存在的异同，进而提出了本文的切片算法。
• 交点情形与分层区域：给出交点在参与轮廓构造时所有可能出现的情形，建立分层区域的概念，并根据轮廓交点所在的区域将所有交点划分成两类，算法的轮廓构造方式也相应分为两种。
• 数据结构与规则建立：通过交点、轮廓等数据结构和两个关键规则的建立，实现二类交点直接进行轮廓构造，避免了“公共边”重复匹配的问题。
• 内存与计算量优化：算法使用“二维”结构保存所有轮廓交点，同时使用增量算法计算二类交点坐标，进一步节约了内存和计算量。

算法优势

大量实例表明，本文分层算法具有极高的切片效率，解决了现有算法在处理包含大量网格的复杂模型或切片细密时，耗时太长甚至无法完成切片的问题。

软件系统开发

基于本文提出的算法及理论，开发了3D打印软件系统，并设计了软件界面。软件的主要功能包括：STL模型的读取和渲染显示；几何变换和视图变换功能；等厚分层、自适应分层功能；成形方向优化功能

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