區(qū)別于傳統(tǒng)的“去除材料”加工模式，快速成型技術(shù)是通過(guò)分層處理技術(shù)將復(fù)雜的三維零件變成一系列二維層面的加工技術(shù)，比傳統(tǒng)的加工方法節(jié)約了工時(shí)和成本�？焖俪尚图夹g(shù)的核心是分層處理，對(duì)模型的分層結(jié)果直接決定了終的成型效率和精度。本書(shū)在以下四個(gè)方面做出了較為深入的研究工作：
1）在STL模型的三維可視化環(huán)節(jié)中引入了OpenGL的三個(gè)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)。其中，幾何內(nèi)核庫(kù)是核心，它定義了STL模型中幾何對(duì)象（三角面片、單一實(shí)體等）的類(lèi)；圖形繪制庫(kù)實(shí)現(xiàn)了模型顯示的材質(zhì)、光源和模型變換等功能；基本幾何庫(kù)是其他兩個(gè)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的基礎(chǔ)，它提供了基本的幾何對(duì)象類(lèi)與幾何關(guān)系計(jì)算函數(shù)。通過(guò)以上三個(gè)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)構(gòu)建的層次結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了STL模型的可視化。
2）在STL模型的等厚度分層算法中，搜索相交三角面片時(shí)，逐步刪除那些已經(jīng)參與過(guò)求交點(diǎn)的三角面片，實(shí)現(xiàn)遍歷范圍的逐步縮減，減少三角面片被重復(fù)搜索的次數(shù)。同時(shí)建立存儲(chǔ)相交三角面片的對(duì)象（自由三角面片表）來(lái)存儲(chǔ)當(dāng)前層上的相交三角面片，并建立基于自由三角面片表的動(dòng)態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。動(dòng)態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)充分利用了STL模型上相鄰層之間信息高重復(fù)率的特點(diǎn)，能快速生成閉環(huán)輪廓。
3）在適應(yīng)性分層算法中，首先根據(jù)FDM（Fused Deposition Modeling,熔積成型法）成型工藝中的成型設(shè)備噴頭規(guī)格以及所使用的耗材的熱膨脹系數(shù)推算出分層厚度的值和小值，確定適應(yīng)性分層厚度的取值范圍。在適應(yīng)性分層厚度值的選擇上，通過(guò)計(jì)算相鄰層閉環(huán)輪廓之間的長(zhǎng)度差值比率和重心偏移距離與設(shè)定閾值的偏差，來(lái)共同約束適應(yīng)性分層的分層厚度。
4）在區(qū)域填充路徑的優(yōu)化研究中，針對(duì)STL模型形成的輪廓截面誤差分析，采用NURBS曲線和直線相結(jié)合的方法，使輪廓曲線更加逼近原截面輪廓，比單純地使用NURBS曲線減少了工作量，縮短了擬合時(shí)間。針對(duì)復(fù)合掃描方式，將不同的掃描速度、掃描間距和掃描方式相結(jié)合，提出匹配的工藝方法，兼顧模型精度的同時(shí)減少了填充區(qū)域用時(shí)。將填充區(qū)域劃分成一個(gè)個(gè)單獨(dú)的子區(qū)域進(jìn)行填充，并對(duì)各子區(qū)域描述路徑先后順序進(jìn)行優(yōu)化處理，以達(dá)到避免噴頭跨越型腔，減少了子區(qū)間跳轉(zhuǎn)的距離，且有效減小了翹曲變形。
小羅伯特·沃恩·湯普森博士、教授
美國(guó)密蘇里大學(xué)核科學(xué)與工程研究院、機(jī)械與航空航天工程系、微粒子系統(tǒng)研究中心基于自由三角表的低冗余動(dòng)態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
分層算法與填充序前言
隨著當(dāng)前國(guó)家政策對(duì)快速成型技術(shù)的鼓勵(lì)和扶持，國(guó)內(nèi)許多研究機(jī)構(gòu)在快速成型技術(shù)中投入了大量人力和資金。快速成型技術(shù)也依靠自身優(yōu)勢(shì)條件在汽車(chē)制造、航空航天、食品加工、納米制造、工業(yè)設(shè)備、醫(yī)療以及軍事等領(lǐng)域取得了許多重大的研究成果，并產(chǎn)生了翻天覆地的改變。中國(guó)傳統(tǒng)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型離不開(kāi)快速成型這一戰(zhàn)略技術(shù)，但是在快速成型技術(shù)上，與國(guó)外先進(jìn)水平相比，中國(guó)還有一定差距，進(jìn)口的快速成型設(shè)備價(jià)格比較高，并且有很多限制使用條件。如何制造出自己的高尖端的快速成型設(shè)備是我們亟需解決的問(wèn)題。如何有效地對(duì)模型相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以及在保證打印模型精度和強(qiáng)度的條件下提高成型效率是需要解決的重要問(wèn)題。
本書(shū)首先針對(duì)STL模型在快速成型技術(shù)中的分層處理環(huán)節(jié)進(jìn)行了研究，開(kāi)發(fā)了基于MFC（Microsoft Foundation Classes,微軟基礎(chǔ)類(lèi)庫(kù)）單文檔應(yīng)用程序框架模板和OpenGL圖形庫(kù)的分層處理應(yīng)用程序STLSlicing，該軟件以文本格式的STL模型為數(shù)據(jù)接口文件，實(shí)現(xiàn)了STL模型的三維可視化、等厚度分層及適應(yīng)性分層等功能。書(shū)中提出的分層算法都在應(yīng)用程序STLSlicing上得到了實(shí)現(xiàn)，分層效果的實(shí)例驗(yàn)證與其相應(yīng)的理論分析結(jié)果基本一致。通過(guò)本書(shū)的研究，提高了等厚度分層的分層效率，在適應(yīng)性分層中，在提升分層精度的同時(shí)分層效率也得到了保障，從而為下一步應(yīng)用程序與快速成型設(shè)備的匹配提供了可能性。
然后，針對(duì)熔融沉積成型區(qū)域填充路徑進(jìn)行了優(yōu)化研究，其目標(biāo)是在滿足模型表面輪廓精度的條件下縮短填充時(shí)間，提高熔融沉積成型填充效率。依據(jù)熔融沉積成型過(guò)程影響成型精度的因素綜合分析研究，運(yùn)用NURBS擬合的方法減少填充過(guò)程中的輪廓誤差。在獲得原模型的逼近輪廓曲線后，對(duì)截面輪廓內(nèi)部進(jìn)行路徑填充。首先運(yùn)用區(qū)域分割算法把存在孔、洞的輪廓分成兩個(gè)或者多個(gè)單獨(dú)的區(qū)域，再采用凹變形凸分解算法把每個(gè)單獨(dú)區(qū)域分成多個(gè)子區(qū)域，該算法有效減少噴頭跨越內(nèi)孔以及非成型區(qū)域的次數(shù)。這樣，噴頭空行程僅存在于從一個(gè)子區(qū)域到另一個(gè)子區(qū)域的過(guò)程中。在運(yùn)動(dòng)學(xué)模型下，通過(guò)對(duì)熔融沉積成型技術(shù)填充過(guò)程中填充角度的分析研究，發(fā)現(xiàn)不同區(qū)域存在著的填充角度。在每個(gè)子區(qū)域采用不同填充角度的方法可以有效地減少填充時(shí)間，并且減少填充過(guò)程中內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生。后通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證該優(yōu)化方法的有效性和正確性，對(duì)保證模型精度、提高成型效率有很高的研究意義。
于文強(qiáng)
于2022年3月基于自由三角表的低冗余動(dòng)態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
分層算法與填充