3D打印的核心算法研究及其实现

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3D打印是一种新型的制造技术,具有降低生产成本、缩短产品研发周期、个性化定制等优势,可以广泛应用于诸多领域,是当前虚拟制造行业的热点研究和发展方向。控制软件是3D打印精确化、便捷化和实用化的中枢和灵魂,因此对3D打印软件核心技术的研发显得尤为重要。本文面向STL格式的3D打印模型,对模型的数据预处理、支撑结构生成、分层打印技术和打印路径规划算法进行重点研究,旨在为3D打印提供一套通用的处理和控制软件。本文主要研究工作和创新成果如下:(1)对ASCII明码和二进制两种格式的STL文件的分析和处理技术进行探索,并采用Java编程语言进行核心功能实现,同时基于Java3D技术开发了一套STL三维模型的显示和可视化操纵系统。(2)在STL文件可视化的基础上,依据两个三角面片之间公共边的拓扑关系,提出了基于三角面片坐标点拓扑关系及三角面片网格化的支撑算法,融合了特征区域法和离散标识法的优势,实现了任意视角的STL三维模型的支撑结构生成,且大大缩短了支撑生成的时间。(3)对两种常用的分层算法和三角面片分组算法进行分析和研究,提出了一个优化的切片算法。首先对所有的三角面片进行分组,然后再利用同层三角面片之间的局部拓扑关系和上下分层的三角面片的关系进行计算,明显提高了分层的效率。(4)针对经典路径生成算法不能处理凹形和带岛打印区域的问题,分别提出了CCTCSA(Clockwise and Counterclockwise Two-way Convexify Segment Algorithm)算法和 TSM4CSA(Two-stage Solving Method for Convexify Segment Algorithm)算法,解决了凹形和带岛打印区域的激光中断控制题,既提高了打印成型的速度和激光器的使用效率,也延长了激光器的寿命。
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