【基于等厚度的3D打印自适应切片算法分析2700字】

VII基于等厚度的3D打印自适应切片算法分析目录TOC\o"1-3"\h\u28620基于等厚度的3D打印自适应切片算法分析 196701.1引言 1114331.2自适应分层切片算法分析 1199631.2.1利用片面法向量保留模型特征的3D打印切片算法 2304031.2.2切片模型的特征值 425961.2.3与等厚度切片算法的对比打印实验 51.1引言在完成等厚度分层切片的实验过后，将继续基于matlab进行自适应分层切片的研究。自适应分层算法主要体现为非等厚度切分，打印机将根据模型的具体特点在不同的位置采用不同的厚度进行打印，协调了整体的打印效率和打印效果。和等厚度分层切片比较起来，更为准确地表现出模型的特点。自适应切片算法繁多，有基于光固化的自适应切片算法、保留模型特征值的自适应切片算法、基于有限元法功能梯度材料零件的自适应切片算法。然而不同算法在各方面各有区别，如在计算曲面上任意给定点的曲率难以计算，或是通过相邻两层切片的面积差异进行自适应切片会因为基准面积而使得精度不便于控制。也有通过体积的差异进行分层切片，然而当有没被切出来的三角形时，会产生误差。STL模型是靠许多三角片面相连接组合，所以可以考虑用片面法向量来实现自适应切片功能。各种自适应分层方法各有特点，各有优劣，本实验基于一种以stl模型中三角面片法向量的改进自适应分层算法。1.2自适应分层切片算法分析在数据处理过程中，分层切片算法可以基于CAD模型，它没有将模型格式转换为STL格式，从而克服了重复存储STL格式的数据时的冗余问题，避免了模型数据转换过程中可能发生的数据丢失和其他情况。因此，从根本上说，算法对模型进行处理后与模型的分层处理相比，转换为STL格相比之下，前者效率更高，但是由于各种CAD版本的文件格式不同，公式的局限性使得该算法通常适用于低度，因此仅这种切片算法仅在对加工和制造有特殊要求时才使用；和由于最广泛使用的模型的标准文本格式是STL公式，还因为它适应大多数CAD软件的性能要求，所以基于STL模型格式的算法逐渐普及。鉴于上述切片算法，基于Z的切片算法给出了坐标，其中考虑了拓扑信息和连续性的优点。算法基本思想：加载所有三角形拓扑信息非常耗时这种算法只会消耗很多，因此只会加载和排序STL文件中每个三角形的Z坐标数据并对其进行排序。根据剖面平面的高度确定需要对应的三角形同时计算在同一层级别之间建立的拓扑关系，并且数据结构也已建立。加载STL文件，使用三角拓扑计算交集考虑各层连续性特征的构面之间的关系。3D模型的切片3D打印中的主要部分。基于STL模型的缺点包括法向矢量反演，裂纹，重叠等。可以通过将一个切平面与三角片面模型相交，获取闭合的轮廓线。1.2.1利用片面法向量保留模型特征的3D打印切片算法传统的切片算法在打印时可能会使模型特征产生一定的偏差，而合理利用STL文件中三角形片面的法向量，可以有效减少台阶效应。在切片过程中，每个片面在分层的方向上都会有一定的分量，通过区别不同分量来判断打印部分倾斜角度，采用不同的分层厚度，即可以减小台阶效应。而对于模型的特征，则可以通过片面法向量和模型面片间二面角大小和顶点的复杂程度指标，识别模型表面的锐边和复杂点特征。本算法具体步骤如下：（1）输入三维模型在分层方向上的最小值与最大值Zmin、Zmax，以及打印层厚范围dmin、dmax。然后对STL文件进行模型信息提取，建立点表、面表进行数据存储，并进行一些初始化设置。（2）每层打印厚度的求取。在上文的分析中，d’1考虑了台阶效应对自适应分层的影响，可以在倾斜角度小的表面获得较小的层厚；d’2、d’3保证了在模型的锐边、复杂点处获得较小的层厚。算法采用di=min{l1d’1,l2d’2,l3d’3}作为分层厚度，其中l1,l2,l3为加权系数。该方法既考虑了减小台阶效应，又可防止模型特征的丢失和畸变。计算下一层的分层平面高度Zi+1=Zi+di。判断Zi层与Zi+1层之间是否有未被切割的三角面片，并对Zi+1进行修正。为了防止类似于图5中的模型特征遗漏，需要找出两层之间未被切割的三角面片。两层之间未被切割的三角面片应满足Zfmax<Zi+1且Zfmin>Zi，其中Zfmax、Zfmin为三角面片在Z轴方向上的最值。以(Zfmin)min作为下一分层平面高度Zi+1。特别的，受到最小层厚的限制，如果(Zfmin)min与上一层的切面高度Zi之间的距离小于最小层厚dmin，那么在确定下一层切面高度时需采用最小层厚，即Zi+1=Zi+dmin。判断分层平面高度是否超过模型高度。若是则分层结束，否则继续循环确定下一层分层高度。最后输出每层的分层厚度di(i=0,1,2...,N)。开始开始输入模型大小Zmin、Zmax,层厚范围dmin、dmax读取STL文件信息,建立点表、面表进行数据存储初始化设置与计算:i=1,层厚d0=dmin,层高Z0=ZminZ1=Z0+d0遍历三角面片，找到所有与Zi层相交的三角面片找到该层三角面片中的最小d'1值找到该层三角面片中的最小d'2值找到该层三角面片中的最小d'3值分层厚度di=min{l1d'1,l2d'2,l3d'3}i++Zi>Zmax?下一层分层高度Zi+1=Zi+di结束YN记录所有未被切割三角面片中Zfmin的最小值(Zfmin)min遍历三角面片，判断是否有处于Zi层与Zi+1层之间未被切割的三角面片NZi+1=(Zfmin)minYN(Zfmin)min-Zi<dmin?YZi+1=Zi+dmin当分层厚度恒定时，模型表面在该层处的倾斜角越大，台阶效应越小。因此，当三角形面的倾斜角小时，使用较小的层厚度，这可能会削弱台阶效应。切片作为模型打印的关键部分，自适应的切片算法会捕捉到模型的几何特征，自动切分处不同厚度的切片，根据模型的三角片面网格完成切分。对于不同的模型，其几何特征也不尽相同，有曲率方面的差异。曲率比较大的位置，对模型的精度要求相对降低，可以适当加大层厚，也不会产生明显的台阶效应。而现如今各种STL文件的大小也越来越大。而限制于计算机设备的硬件问题，打印过程中对算法的要求也越来越大，需要优化合适的算法，但也要保证打印的效率和精度问题。1.2.2切片模型的特征值尽管自适应分层算法可以有效地减少模型的台阶效应，但除了打印过程中的台阶效应外，某些模型还具有模型特征。STL模型功能是指在快速原型制作过程中基于模型的识别程度的形状特征，很容易忽略加工特征并引起错误。普通的等厚分层确定模型特征的确切位置，从而导致某些零件的细节遗漏。因此，通过特征的识别来修改自适应算法，并将模型的特征分为：（1）特征面：平行于分层平面的表面，如图1.12所示，图2为特征面。（2）特征线：两个夹角大于给定的阈值，并且都是非特征表面的交点线。相交线段的方向垂直于叠加的方向，如图1.12、1、3和5所示为特征线。（3）特征点：几个非共面三角形面的公共顶点，该顶点的高度标记为附近其他顶点之间的最大值或最小值。例如，图1.12中的6是特征点。图3-2模型特征值的保留自适应叠层算法与等厚的叠层相比具有很大的优势，即通过确保要加工的零件具有相同的表面质量，并在调整所有特征高度后，相邻特征高度，可以提高加工效率。模型不需要考虑特征问题对于模型的这一部分，基于此方法的自适应分层方法可以直接用于确定层高。1.2.3与等厚度切片算法的对比打印实验在第二章中已展示等厚度切片算法打印结果，本节基于matlab的GUI界面对该算法进行打印对比。图1.2.1螺丝模型切片效果图1.2.2轮胎模型切片效果图1.2.3轮胎模型打印效果对比图1.2.4螺丝模型打印效果表1.2.5不同层数打印结果分层方式层厚/mm分层数表面粗糙度等层厚分层