【《3D打印支撑算法研究与优化分析案例》3300字】

3D打印支撑算法研究与优化分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u141853D打印支撑算法研究与优化分析案例 1321001.1现有支撑算法分析 1292921.2支撑算法缺陷 238021.3支撑算法优化方案 3现有支撑算法分析如今支撑算法引擎主要采用的为薄壁支撑以及柱状支撑。两者有着设计简单，在对模型进行有效支撑的同时数据处理更加的便捷，且支撑生成效率更高，后期处理也更加简单，可以有效保证模型的完整性[13]。随着3D打印技术的不断发展，我们对于支撑结构进行更深入的研究及应用，例如根据仿生学研究的树状支撑结构。对于薄壁支撑的结构主要分为网状和丝状支撑两种，分别被Cura以及Slic3r引擎支持。相应的柱状支撑根据结构不同可分为立柱支撑和脚手架支撑。虽然支撑结构的形状各不相同，但是支撑结构的生成方式大同小异。支撑结构的生成可分为两个过程，首先是对支撑点以及支撑区域的选取，其次就是生成支撑。如图ab就是第一个过程，c为第二个过程图10支撑算法流程支撑点的选取我们首先将模型基于底板的中心进行网格化的构建，以X—Y平面为基准，得出Z轴方向的网格线与三角面片交点存入网格之中，设置好三角面片与网格线临界角后通过交点信息与临界角相比较来选取支撑点。支撑区域的选取支撑区域实际为支撑点在一定区域的合集，我们将支撑点进行简单的计算，通过将网格中存储的支撑点进行进行一定的排列组合选出合适的支撑区域。支撑结构的生成实际上就是在支撑区域与支撑区域投影之间选用合适的填充方式进行填充，填充出来的即为所需要的支撑结构。图11即为支撑区域投影图图11支撑区域投影图支撑算法缺陷薄壁支撑通过对支撑区域与其投影部分之间进行有效填充，从而生成支撑结构，因此薄壁支撑不需要过多的计算，而且生成速度快，同时能保证很好的稳定性，但其缺点也很明显，薄壁支撑十分的浪费原料，尤其是在高度过大时，所需原料越多，随之带来的问题就是填充时间过长，从而使打印效率低下。使整个打印过程时间与耗材大幅上涨。表1所贮存的数据为在相同的打印参数下打印三种不同的模型各自有无支撑时消耗的时间以及消耗的原料。表1模型加支撑前后的打印时间与耗费原料模型名称添加支撑模型原始模型两者对比消耗时间原材料消耗消耗时间原材料消耗消耗时间差材料消耗差鸵鸟5h30min17.91m3h53min12.63m+1h37min+5.29m小狗7h32min26.47m5h56min20.53m+1h36min+5.94m房屋10h45min40.74m7h24min27.65m+3h21min+13.09m显而易见，在增加支撑之后我们的打印所消耗的时间以及消耗的材料过大。以鸵鸟和房屋为例，添加支撑的模型要比没有添加支撑的模型多花费实际模型一半的原始材料来打印支撑结构。而小狗添加支撑的模型也比未添加支撑的模型多用了三分之一的原始材料。相应的打印时间也发生了变化，以鸵鸟和房屋为例，添加支撑的模型要比没有添加支撑的模型多花费实际模型一半的时间来打印支撑结构。而小狗添加支撑的模型也比未添加支撑的模型多用了三分之一的时间。根据这些信息我们可以得出薄壁支撑打印所消耗的时间过长，打印效率不高，打印支撑所用的材料也消耗过大。薄壁支撑的缺陷不只是原始材料和打印时间大量消耗的问题，还有支撑结构在某些部分上与原始模型大面积重叠与原始模型融为一体，这样会导致原始模型的成体结构发生变化，在后期处理时我们相当难处理最终甚至会导致我们破坏原有的模型结构，我们所得到的实物会与我们所设计的模型在细节上会有很大的出入。对于一些精密模型来说这使是非常致命的缺陷，会导致我们所打印出来的实物无法用于使用。下边图片展示的为支撑结构过多的情况。图12模型支撑结构过多示意图支撑算法优化方案我们通过对图13（a）（b）的比较发现支撑结构构建完成之后，支撑结构基本与原模型相差无几，很明显的可以看出薄壁支撑通过设置好的填充参数进行逐层的堆积成型，与传统的建材制造有着很明显的相同之处，因而会造成大量的原材料的浪费导致成本与时间大大增加打印效率低下的问题。而且我们可以很明显看出鸵鸟周围的支撑结构与鸵鸟模型本身接触面积过大支撑与模型之间过于贴合，很大程度上会难以拆除支撑而导致原始模型结构的破坏。（a）鸵鸟模型（b）鸵鸟支撑结构的生成图13鸵鸟支撑结构的构建与薄壁支撑不同的是柱状支撑在支撑的耗材上有着很大的优势相应的打印的时间也有很大的缩减，大大节约了打印成本。而且在后期处理上柱状支撑较于薄壁支撑与原始模型的接触面积远小于薄壁支撑与模型的接触面级因此更加容易摘除。但是当模型所需要支撑的部位面积过大时，柱状支撑的局限性就表现出来了，具体体现在柱状支撑底面积过大导致体型过大，这就会导致大量的浪费原始的材料，增大打印的成本。在两种的基础之上，工程师根据树干提出了一种仿生结构—树状支撑结构[14]，树状支撑结构在传力上具有其他支撑结构无法相比的优势，很好的继承了树木开枝散叶的生态结构优势，可以在相对小的结构小由更加广阔的有效支撑面积，但是在树枝部分可能会出现结构细节上的问题。树状支撑结构细节上的问题更多的体现在树枝部分细节过多，在打印时可能会出现一些材料堆积以及材料拉丝而导致打印失败。针对这几种支撑结构各自优缺点之间的对比研究，提出在柱状支撑和树状支撑之间寻找一个平衡点，使两种支撑结构算法进行优势互补，形成一种在不同区域采用不同的支撑结构的自适应支撑算法。图14主要展示了支撑区域分类别的自适应支撑算法主要的流程，在我们最初进行支撑点的选择之后通过对网格内支撑点进行简单的聚合分类计算之后我们可以得出支撑区域，在对支撑区域进行疏密判断，根据不同的疏密程度进行不同支撑结构的选取，在支撑区域比较密集的区域选取树状支撑结构来保证模型的完整性，在支撑区域稀疏部分采用柱状支撑结构来保证结构的稳定性，划分区域完成之后在打印机中进行打印。图14支撑算法流程图支撑点的选取支撑点的选取主要还是基于原有的薄壁支撑中支撑点判断选区的方式，只不过树状支撑以及柱状支撑的支撑点不需要根据支撑点去计算规划出待支撑区域。因此我们对柱状支撑结构以及树状支撑结构的研究主要设置出基础网格间隔数据大小用gridScale来标识，之后再对网格内贮存的支撑点信息进行重新排列组合最终通过简单计算分别规划出两者各自的支撑区域。而根据公式(3)(4)可以得出我们的网格高度以及网格宽度 (3) (4)而我们自适应支撑点的选取主要还是存在与我们规划好的支撑区域当中，我们首先将模型基于底板的中心进行网格化的构建，以X—Y平面为基准，得出Z轴方向的网格线与三角面片交点存入网格之中，设置好三角面片与网格线临界角后通过交点信息与临界角相比较来选取支撑点，再根据这些支撑点进行重现规划聚合形成支撑区域。在支撑区域的选取构建时，网格间距是影响支撑区域精度准确度的重要因素，网格间距越小我们所选取的支撑区域就越加精准，我们说设计的自适应支撑原则上为树状支撑和柱状支撑的结合。在计算中我们所需要在X轴Y轴上的偏移量可用公式(5)(6)计算 (5) (6)Gridpingyisetx和gridpingyisety分别为在X轴Y轴上的偏移量。图14自适应支撑算法支撑点的选取自适应支撑点与常规支撑点的选取不同的是我们需要对常规支撑点进行重新的规划选取，进行有效的摘选补充，由于我们FDM打印模型是通过逐层堆加最终形成完整的模型，所以我们支撑点在最低点进行选取是最为科学有效的，但是还需要对最低点进行有效的剔除确定。我们主要以流程图15的形式来展示我们支撑点的选取。结构点的筛选确定图15结构点选取流程图柱状支撑和薄壁支撑的支撑点的选择相差不大，主要还是在支撑区域与支撑区域投影之间进行简单的布尔运算形成单个圆柱体的柱状结构，构造简单。相对应的树状支撑结构就远比柱状支撑结构的运算复杂，我们需要对支撑点在Z轴上进行减法递归计算，逐渐找出最低点，而不同的支撑区域的支持结构点也大不相同。图15为我们结构点选取的主要流程，而在我们自适应算法中我们首先应对我们的支撑区域进行简单的疏密判断来进行区域的划分与设定。针对不同的疏密程度我们选取不同的支撑方案来进行设计，在柱状支撑区域我们进行简单的排列来设计出有相对间隔的圆柱支撑结构。首先我们根据图16对我们所需要变量进行一个简单的