3D打印制件外轮廓线的自适应分层算法研究

针对3D打印三维模型直接转换成STL文件进行切片分层处理过程中,存在模型表面信息缺失、打印精度不高等问题,提出了面向3D打印制件外轮廓线的自适应分层算法。该算法利用Z轴方向特征曲线的方法得到打印制件外轮廓曲线,采用微元思想对模型分段处理,确定打印方向与外轮廓切线夹角的关系,运用概率统计、叠加求和等数学理论求出每一层切片的自适应分层方法。通过实例打印表明,该算法减少了转换成STL文件时的信息缺失,提高了3D打印的精度与效率。     

基于体素的机械臂连续碳纤维3D打印路径规划

碳纤维长纤3D打印对路径的连续性和复杂构型的无支撑成型均提出了需求。传统三轴熔融沉积3D打印采用平面切片和基于轮廓的路径规划方法，由于成型方向的单一性，悬空结构无法避免支撑的产生；由于采用基于轮廓的路径规划，缺少内部几何信息，无法扩展到曲面空间。针对以上问题，提出了基于机械臂的连续碳纤维3D打印曲面切片和曲面连续路径规划方法。通过三维模型的体素化处理，保证空间信息的完整性；在无支撑无碰撞约束下，分解成系列体素曲面层，保证无支撑成型；采用Fast Marching网格测地线算法，形成曲面空间的连续等距螺旋偏置路径，并对路径进行平滑优化，保证路径的连续性；最后生成用于机械臂3D打印的Gcode路径文件。通过多种三维模型路径规划仿真对比和打印实验，证明了该方法的可行性，实现了曲面分层的无支撑连续路径规划。     

熔融沉积式3D打印切片轮廓路径优化算法

在研究3D打印切片过程中,针对当前存在打印效率低、加工时间长等问题,提出一种熔融沉积式3D打印切片轮廓路径优化算法.该算法采用一种改进的最短距离法确定各个轮廓的打印起始点,并将蚁群算法与遗传算法有效结合,形成一种改进的蚁群算法模型,最后应用到3D打印切片轮廓路径规划中,求出单层轮廓的最优打印顺序.通过与传统切片软件Cura和Slic3r进行打印实验对比,采用本文提出的优化算法打印实验零件的单层轮廓打印路径长度分别减少了 18.68％和17.53％,打印时间缩短了 13.83％和13.15％.结果表明,本文提出的一种熔融沉积式3D打印切片轮廓路径优化算法的打印效率更高,打印时间更短.     

几何参数对3D打印零件轮廓精度影响的研究

提出用表面轮廓平均偏差作为评价3D打印零件由于台阶效应引起的表面轮廓偏差与表面粗糙度的统一指标,推导出表面轮廓平均偏差的计算公式及其与表面粗糙度指标Ra的关系。研究表明,3D打印零件的轮廓精度和表面质量与该表面的角度、曲面半径、打印层厚均有关系;对于形状简单的工件,可通过调整打印时的摆放方向来获得更优的轮廓精度与表面质量;对于形状复杂的工件,采用较小的打印层厚是提高打印零件表面轮廓精度与表面质量最有效的方法;对于常规尺寸的零件,打印层厚为0.030mm时即可获得较好的轮廓精度与表面质量,而采用更小的层厚来提高打印质量效果将不明显。     

改进的Hilbert曲线在FDM路径规划中的应用

熔融沉积成型的扫描过程是实现区域的填充,因此成型的效率和制件的精度将直接受到扫描路径的影响。所以在分析已有的扫描方式的基础上,提出了基于网格法的Hilbert曲线的路径扫描方法对复杂曲面进行成型规划,根据Hilbert曲线和Hamilton回路的特点,结合待扫描层面的特征进行扫描路径的轨迹规划,保证了其扫描质量,生成了连续的扫描路径。采用网格法对交点进行求取,最终得出扫描轨迹。该方法可生成连续的扫描轨迹,大大缩减了扫描路径形成时间,提高了整体的加工效率,既满足了制件的精度要求又能生成成型效率高的扫描轨迹。     

基于层面轮廓凸分解的扫描路径规划的研究

熔融堆积成型技术在成型过程中对环境无污染而得到广泛应用,尤其适合在办公环境下使用.扫描过程是实现区域填充过程,类似于传统加工中的刀具路径规划,因而合理规划扫描路径直接影响成型的效率和制件的精度.在分析现有扫描方式的基础上,提出了基于层面轮廓凸分解的分区自适应扫描法,根据顶点可见性的原理进行轮廓凸分解.实际应用表明,该方法即保证了制件的精度又克服了三角剖分扫描效率低的缺点.     

基于FDM成型工艺的3D打印机的创新设计

3D打印是一种增加型制造，通过数字建模等方式获取扫描数据，基于数据将打印产品分割成截面，将这些截面逐层堆积成型。FDM工艺生产简单，操作安全，基本无污染，可打印材料种类多，且成型速度较快，精度较好，制造成本较低，因此FDM是3D打印成型技术中普及率最高的。为提高其打印质量与精度，对打印装置整机设计及其工艺参数的影响进行研究，主要根据市场上现有FDM成型工艺的3D打印机的机型与结构提出整体设计，完成装机后对创新设计的3D打印机采用正交实验进行工艺参数测试，得出该设计的最优工艺参数组合。     

基于RSM的三维打印参数对材料收缩率的影响

采用三维打印(three dimensional printing,3DP)成型的制件,经过干燥和后处理会在不同的方向上产生收缩现象,这严重影响成型制件的尺寸精度。将ZP310三维打印机作为试验平台,采用中心复合试验设计方法(central composite design,CCD)对打印参数进行实验方案设计.并用响应曲面法(response surface methodology,RSM)分析三维打印过程中饱和度和层厚对淀粉基混合粉末收缩率的影响,建立了三维打印成型过程中材料在X、Y、Z这3个方向上的收缩率与打印参数之间关系的数学模型。实验证明根据收缩率进行的误差补偿,降低了制件在不同方向上的尺寸误差。     

基于Bezier曲线生成3D打印分层路径

3D打印可实现高效无模成形,而在医疗、汽车、航空航天和建筑领域得到了广泛的应用.3D打印中分层路径精度影响着填充图和成型的精度.Bezier曲线具备光滑连接特性,被广泛应用于自由曲线曲面造型中.为了提高分层路径的精度,采用三次Bezier曲线生成切面层路径.首先通过3D打印切片算法得到单一闭合曲线有序散点,然后根据切片...     

光-热双固复合材料3D打印成型数值模拟及实验验证

光-热双固化碳纤维增强复合材料3D打印成型综合了增材制造零件高精度无模快速成型和热固化基质材料力学性能优良的优势,具有广阔的应用前景。针对光-热双固化复合材料制件变形带来的制件疲劳寿命降低以及连接装配损伤等问题,综合考虑光固化动力学、热固化动力学及固化变形建立了光-热双固复合材料成型的多物理场理论模型,研究了复合材料光-热双固3D打印成型过程中单层固化厚度、光-热双固数值材料组分及纤维含量和长径比对制件变形的影响,并通过实验验证了模型及理论分析结论的正确性。结果表明,增加单层固化厚度从而减少分层数可以降低制件固化后的应力应变和翘曲变形;光-热双固化树脂中光固化树脂分数增加会使制件的翘曲变形量增大;提高纤维体积分数和纤维长径比可以降低制件膨胀系数,从而降低制件的翘曲变形量。复合材料光-热双固化3D打印成型过程的多物理场建模计算方法可以为相关研究提供借鉴,基于该方法的研究结果对于优化工艺参数从而提升成型质量具有参考价值。     

连续碳纤维复合材料3D打印的切片方向调控

三维模型切片处理是3D打印的前提。由于连续碳纤维复合材料各向异性的特点,分层处理前,根据成型样件力学性能的方向性要求,对三维模型切片方向进行调控是获得满足成型性能需求的碳纤维3D打印零部件的保证。在三维拓扑重建的基础上,通过力学方向约束下的坐标矩阵变换算法实现三维模型切片处理的方向性调控;采用变换矩阵空间后的切平面相交法进行等层厚分层处理,实现连续碳纤维复合材料3D打印成型路径方向规划。通过不同模型多方向切片处理实验证明算法的有效性。     

基于DLP的珠宝树脂3D打印工艺研究

DLP(数字光处理技术)是一种以面曝光的方式逐层成型的3D打印技术.在DLP的3D打印工艺过程中,当分层厚度确定时,零件的打印精度主要取决于曝光时间和成型方向.设计一个测试试样,研究了采用DLP工艺打印珠宝树脂材料过程中的单层曝光时间和零件成型方向对不同特征打印精度的影响规律.研究结果表明:对于所采用的珠宝铸造树脂曝光...     

基于神经网络和遗传算法的三维打印工艺参数优化

分析了粉末材料三维打印(three dimensional printing,3DP)过程中影响成型精度的因素,采用试验的方法确定打印过程中的三维制件的收缩率范围。以"H"型工件为标准,建立了基于神经网络(neural network,NN)的制件尺寸精度误差和打印工艺参数之间关系的模型。以制件最小尺寸误差为目标,采用遗传算法(genetic algorithm,GA)对3DP中的工艺参数如饱和度、层厚和X、Y、Z这3个方向的收缩补偿值进行优化,获得了相应的打印工艺参数。采用3DP默认的打印参数、打印参数的最小值、最大值以及NN-GA得到的参数进行对比试验。结果表明:采用NN-GA获得的工艺参数打印的制件的尺寸误差最小,可以预测3DP成型制件相对尺寸误差。     

碳纤维长纤3D打印的路径跳转处理

针对碳纤维长纤3D打印复杂模型的路径跳转问题,以三维模型切片处理后的G代码文件为基础,对其进行3D打印跳转点识别;基于三维路径坐标与远端切断装置间的距离关系,实现打印跳转点与纤维切断点的精确匹配,进行连续性纤维远端切断处理。通过不同打印路径的三维模型跳转点与断点的仿真分析,以及碳纤维长纤3D打印系统对单层及多层模型的3D打印测试,验证了路径跳转处理方法对连续纤维复杂模型3D打印成型的可行性。算法为碳纤维长纤3D打印的实现提供基础。     

面向STL文件的截面轮廓线段连接方法研究

针对3D打印中模型数据的截面轮廓求取问题,分析STL文件的计算机数据格式特征,提出面向STL文件的截面轮廓线段连接算法.首先,通过STL文件的相交面片选取与求交计算,直接生成相交截面的轮廓线段;然后,通过轮廓线段的连接判断,快速生成模型数据的截面轮廓;最后,借助PythonOCC的开源三维模型显示平台,使用Python的计算机编程语言编程开发面向STL文件的截面轮廓生成模块,并通过多个模型的数据测试对所提算法的有效性给予验证.实验结果表明,所提算法可完全避免模型数据的拓扑数据操作,并通过STL文件的直接数据处理,直接实现3D打印中模型数据截面轮廓的快速生成.     

挤出成形3D打印机扫描速度与挤出速度实时匹配的研究

自由挤出成形(Extrusion free-forming, EFF)是对封装在料筒内的浆料施加外部载荷,迫使其通过微小流道挤出,并在X、Y平面上进行逐层堆积的3D打印增材制造技术。利用挤出成形技术可实现陶瓷制件的直接打印制造,打印过程中,成形平台在路径拐点处的光滑过渡、材料挤出速度与成形平台扫描速度的实时匹配是提高制件成形精度的重要方法之一。本文通过对依据扫描路径信息进行实时速度匹配算法的研究,建立了以STM32为核心,可以实现扫描速度预规划、挤出速度与扫描速度实时匹配的控制系统,从而为提高陶瓷制件成形精度提供一定借鉴价值。     

FDM熔融沉积3D打印悬垂结构试验研究

为了指导3D打印技术课程实训与技能竞赛、研究PLA聚乳酸材料熔融沉积成型悬垂面的表面质量和打印效率,通过自主设计悬垂模型结构,试验研究了不同悬垂角度下悬垂结构表面的成型质量;并且,通过单一变量法,对悬垂模型结构的打印层厚、填充密度、有无支撑三个工艺参数进行了试验研究,结果表明：打印层厚对悬垂结构熔融沉积成型效率影响最大、填充密度对悬垂成型外表面质量影响最小,并为3D打印实训课程的教学和技能大赛中悬垂结构熔融沉积成型提供了方法参考。     

NURBS曲面五轴加工刀具路径规划技术研究

提出了基于等照度线的刀具路径规划方法,采用等照度线对曲面进行分区,根据曲面特征采用不同的刀具路径规划方法,兼顾效率的同时尽可能提高加工精度。通过加工实验与传统刀具路径规划方法进行对比,表明本方法在加工效率和加工精度方面都优于传统方法。     

基于邻层数据匹配的工业 CT 图像生成 G 代码方法

针对目前工业CT图像转换为3D打印G代码方法效率低的问题,提出一种基于邻层数据匹配的工业CT图像直接转换成G代码的方法。首先采用Canny算子提取工业CT图像的轮廓,然后处理轮廓分叉问题,实现邻层间几何信息数据匹配,其次进行邻层间轮廓插值以满足3D打印层间厚度要求,从而避免"阶梯效应",最后通过填充编码得到用于3D打印的G代码。使用本文提出的方法,轮毂CT图像转换为G代码的时间为10.5 s,耗时远小于其他间接转换方法;3D打印出的轮毂无"阶梯效应",平均尺寸误差率为0.25%。实验结果表明,该方法不涉及中间格式,转换效率高,转换误差与传统方法相当,适用于具有复杂内腔结构的零件。     

FDM 3D打印机喷头设计

在温度因子的驱动下,研究基于FDM技术的3D打印机喷头设计思路。采用比例因子法,设定多目标条件下的3D打印机打印精度评价指标体系,设计3种不同喷口直径和2种不同加热腔结构,共形成6种比较方案,在12种打印介质的联合比较实验中对其性能进行分析。(1)通过技术手段加强对发热元件的温度控制精度,使其控制在打印介质熔融点附近,可以有效提升3D打印机性能。(2)加热腔温度传导机制下,T=1.03T_0时系统效率最高。(3)缩小喷口直径D_0,可有效降低成型效率比例因子B_(DS)的统计学表达。在统计学角度证实了更小直径的FDM喷口可以实现更高的打印精度,影响打印精度的参数还包括对发热体温度的控制精度。