基于应力分布的3D打印壳模型构造与优化

近年来,愈发成熟的3D打印技术拉近了模型设计与产品制造的距离.但高昂的材料费用仍是制约其发展的重要因素.因此,如何在不改变模型外观的情况下进行模型结构的优化,以此来减少模型的打印体积、降低打印成本是亟待解决的问题.针对该问题,本文提出一种基于应力分布的壳模型构造和优化算法.该算法首先基于模型的体素化表示构造距离场,提取出初始的均匀厚度壳模型.然后基于顶点的von Mises应力,自适应的向外扩张内表面,调整各部位厚度,直到达到相关约束条件.优化得到的内表面与输入的外表面围成最终的优化模型.实验结果表明,在满足外观不变、力学稳定等约束的同时,优化得到的壳模型体积为输入模型体积的17.2%~24.4%,大幅减少了模型的打印体积,有效降低了打印成本.     

面向3D打印的自支撑连通性填充结构设计

针对大多数3D打印轻质化填充结构因不能够自支撑而导致模型无法打印成型,额外添加支撑结构又会造成模型内部残留打印材料无法排出的问题,提出一种面向3D打印的自支撑连通性填充结构设计方法.首先,基于每层打印切片构建填充结构;其次,通过调整参数来控制不同层正三角形连续地周期性变化,实现填充结构的自支撑性和连通性;最后,根据每层的几何信息生成可以直接用于打印的G-code文件.通过进行打印实物、打孔灌水和力学测试实验,实验结果表明,该方法可以打印具有不同自支撑角度且包含2个连通区域的填充结构,与5种典型填充结构相比,该填充结构力学性能良好.     

3D打印物体的稳定平衡优化

3D打印日渐流行,赋予大众创造物体的能力.首先通过计算机中3D建模软件构造3D数字模型,再借助3D打印加以制造.虚拟环境中无物理规则的特点使得模型千姿百态,但是通过3D打印之后发现物体无法平衡站立.首次提出3D打印物体的稳定平衡优化问题,针对这一问题,研究不倒翁的原理,提出稳定平衡优化算法,使得物体达到稳定平衡.具体做法为先将物体体素化,迭代式从水平、垂直方向进行逐体素的挖空,选取最佳的挖空方式;对于个别极端例子,再通过对底部小范围内的修改来达到稳定平衡.逐体素的启发式挖空策略避免了挖空可能出现的悬浮、自相交等问题;底部局部小范围的修改也保证了物体的形状基本不变,该方法的可行性通过多个例子的成功优化得到证明.     

基于周期性晶格的3D打印模型轻量化方法

为了获得3D打印模型节材效果和优化的物理力学性能,从晶格的形状多变性出发,提出了一种基于晶格的3D打印轻量化结构生成方法,由此产生的轻量化结构用来替代给定模型的实体空间.首先,提出了一种通用的晶格描述方法,进而对晶格的几何和拓扑特征进行个性化设计.其次,通过在模型包围盒内周期性排列晶格单元,构造出了实体建模所依附的拓扑...     

彩色3D打印模型处理与远程打印技术研究

3D打印技术发展不断成熟,在工业领域和人们日常生活中的应用不断普及,以及消费级3D打印的兴起,体现文化创新创意的彩色3D打印也日趋重要.在此背景下,研究了彩色3D打印的数据处理流程和远程打印技术,基于彩色AMF模型进行解析,并研究彩色位图填充算法,生成彩色位图文件,根据远程打印技术,将文件通过网络传输给打印机,最后由打...     

密度感知的3D打印内部支撑结构轻量化建模

为实现3D打印模型符合力学特性的轻量化建模,根据结构分析生成密度可控的内部支撑结构,提出一种密度感知的内部支撑结构建模方案.首先利用基于截面结构分析的方法获得模型在给定载荷条件下的应力状态;然后提出使用泊松重建偏置点来实现模型偏置的解决方案;再根据应力分布,采用隐函数表达的参数化结构作为模型的内部支撑结构,并通过优化局部区域的填充密度来实现整体设计目标;最后从参数化表达的内部结构模型中提取等势面,将其直接转化为三角网格模型.实验结果表明,该方法能构建密度感知的内部支撑结构来满足局部区域的力性能需求,并能够保证内部结构之间的平滑连接,同时避免因大量布尔运算操作产生的错误.     

常规几何造型与3D打印实物制作

3D打印是快速成形技术的一种,它是一种以数字模型文件为基础,运用塑或料粉末状金属等可粘合材料,通过逐层打印的方式来构造实际物体的技术.打印先进行模型结构设计,再通过UG进行三维模型构造,之后利用Click和ReplicatorG进行数据处理,最后使用普及型3D打印机3D-YUNDL-24打印模型.3D打印的结构设计分为简单的结构设计、复杂曲面的设计、典型的零件设计和减速器装配.其目的是向人们证明3D打印技术巨大的潜力,在制造领域将人们的注意力转移到3D打印上,从而促进3D打印技术的发展.     

3D打印模型版权保护技术研究进展

目的 近年来3D打印模型的版权标注和保护引起了研究者的关注,为了全面反映3D打印模型版权保护研究的现状和最新进展,本文对国内外公开发表的主要文献进行了梳理和分析。方法 首先在广泛文献调研的基础上,描述3D打印模型文件和3D打印模型攻击类型,分析3D打印和扫描过程对模型的影响。然后对3D打印模型的版权保护策略进行分类,详细阐述每类方法的基本框架和相关技术特征。最后根据相关文献,将3D打印数字水印方法与传统网格水印算法和抗3D打印—扫描攻击的性能进行比较。结果 基于物理特性的3D模型版权保护技术能对3D打印后的模型嵌入有效的具有一定隐蔽性的版权标识,但在提取微结构体等信息时需要借助一些专用设备,不具有普适性。基于数字水印的方法既能抵抗传统的数字模态下的相似性变换、剪切、噪声、细分、量化、光顺等攻击,又能有效抵抗3D模型的数/模等模态转换攻击,并且高精度的3D打印机和扫描仪能有效提高水印的检测率。结论 3D打印产品是设计者和生产企业的智慧和心血的结晶,包含知识产权。随着3D打印在工业领域的广泛应用,3D打印模型版权保护有着广阔的应用前景和研究价值,但目前针对3D打印模型的版权保护的检测和评估机制存在一些局限性,未来需要构建统一的3D打印模型测试库和3D打印模型水印评测体系。     

基于阈值方法对3D牙髓腔模型打印的研究

3D打印,快速成型技术的一种,以数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过逐层打印的方式来构造物体.打印过程中,如遇到打印的物体模型有悬空或不平坦部分,则打印过程无法正常进行.而口腔问题一直困扰着人们的生活,牙齿疾病又是口腔问题中的一大难点.本文介绍了阈值法及支撑点法将牙髓腔模型进行还原,解决牙齿内部坏...     

基于模糊PID算法的3D打印后处理系统

随着3D打印技术的快速发展,使其在数字产品模型制造领域的应用逐步成为一种潮流和热门的话题。基于FDM快速成型技术的桌面级3D打印设备的正在走向成熟,使用、维护简单,价格竞争力强。但是由于FDM技术的技术特点,打印出来的产品表面精度较低。针对FDM成型技术的不足,设计了一种基于模糊PID控制的3D打印后处理系统,通过模糊规则对PID的参数进行自整定,实现对3D打印后处理装置中加热温度的控制,使打印模型的抛光效果达到最佳。仿真结果表明：该控制系统稳定性好,控制精度高,响应速度快。     

有效保留模型特征的自适应分层算法

针对3D打印中已有自适应分层算法不能有效保留模型特征的问题,提出了一种新的识别和保留模型特征的自适应分层算法。首先,扩展了模型特征的定义,引入了模型特征丢失和偏移的概念;然后,提出了一种特征识别的方法,其识别模型特征的关键在于利用了模型特征出现的地方必然伴随着模型表面复杂度或切片轮廓数的变化这一性质;最后,在已有自适应分层算法的基础上,通过在特征附近用最小的分层厚度处理模型来保留模型的特征。在自主开发的软件Slicer3DP上实现了均匀分层、自适应分层和所提的分层算法,对比发现所提算法能有效解决模型特征的丢失和偏移,兼顾了分层精度和效率。仿真表明该算法可以用于对模型精度要求较高的3D打印中。     

彩色体三维显示系统上基于GPU的实时均匀体素化算法

为了使基于旋转屏的彩色体三维显示设备在显示动态场景时实时且高分辨率、高质量地实现圆柱体空间彩色体素化,提出了一种基于GPU的算法.首先在长方体空间内完成对三维场景的实时彩色体素化,将生成的数据保存于多张纹理工作表中;然后采取多对多映射的方法对这些工作表进行重采样,得到该场景在圆柱体空间内均匀的彩色体素化结果.实验结果表明,该算法在GPU内完成,达到了实时性要求,并在基于LED旋转屏的体三维显示设备上获得了令人满意的三维虚拟场景再现效果.     

基于STL文件的柱状支撑结构自动生成算法

熔融挤压三维打印以热塑性材料为原料逐层打印完成,由于熔丝只能沉积在已存在的物体上层,模型悬空部位需要添加支撑结构。为解决该问题,提出一种基于STL(Stereo Lithography)文件的稀疏柱状支撑结构自动生成算法。算法通过对比三角面片倾斜角度与模型临界角的大小,获取独立的待支撑区域,然后基于边长自适应法和射线与面片相交法得到待支撑点集,自动生成支撑结构。此外为了保证模型表面质量和支撑结构的稳定性,支撑结构不在模型表面生成。调整支撑结构形状,进一步提高支撑结构的稳定性。通过实验证明本文算法比Cura软件节约15%的材料消耗,支撑结构更容易剥离,模型表面质量更好。     

遗传算法在三维网格模型数字水印中的应用

在数字水印的研究中,为保护版权信息特性,提高精确性和抗噪能力,提出了一种遗传算法的三维网格模型变换域盲水印算法。先将三维模型转化为二维数值矩阵,然后进行二维分块DCT变换生成系数矩阵,利用遗传算法寻找满足适应度函数的最佳嵌入系数,适应度函数使嵌入水印后的模型变形最小。并要嵌入矩阵的位置信息及相应的DCT系数,进行仿真。结果表明,算法可抵抗平移、旋转、各向一致缩放攻击、顶点重排序攻击、噪声攻击。证明对简化方法具有一定的鲁棒性,为设计提供参考。     

基于体素化的变电站场景三维目标检测

针对变电站三维场景中目标特征提取不充分引起的检测精度低的问题,提出一种基于体素化的变电站场景三维目标检测模型AugSecond。该模型基于Second网络结构设计,在体素特征编码阶段引入三重注意力机制,关注多维注意力以增强目标关键信息,降低无关特征信息干扰;设计非对称稀疏卷积网络,使用非对称卷积提高卷积核表征能力,并融合多尺度特征以丰富目标几何信息;同时对位置回归损失进行优化,使用CIoU Loss进一步考虑包围框之间的几何相关性以加快网络收敛速度。在自建电力场景数据集和公开数据集实验表明,相比基准模型,AugSecond模型显著提升识别精度并具备实时性推理速度,证明了所提模型的有效性。     

Automatic quality estimation in blending using a 3D stockpile management model

Stockpile blending is always considered to be an effective method of controlling the quality and maintaining the grade consistency of delivered bulk material, such as iron ore. However, major challenges remain to predict the quality of a stockpile during blending (stacking and reclaiming) operations, because the chemical composition of the ore body is not always available during blending. Consequently, the performance of current stockpile management systems is relatively poorer than expectations. This paper details an innovative modelling approach to estimate the quality of a stockpile during the blending process. The geometric model created from laser scanning data is capable of recording the dynamic shapes of the stockpile using mathematical equations. Therefore, the quality of the stockpile is calculated with a high degree of accuracy when the chemical analysis is completed. Thus, a quality embedded geometric model is created. Furthermore, this geometric model is associated with the kinematic model of a Bucket Wheel Reclaimer (BWR) to achieve precise auto-control in reclaiming operations. The link between these two models also supports the quality of every single cut accomplished by the BWR, to be calculated in advance. Using the calculation results in conjunction with precise machine control, the output grade can be predicted, planned and controlled. This will optimise the efficiency and effectiveness of stockpile blending.     

基于深度剥离的三维打印模型朝向优化算法

为了提高三维打印产品表面质量且有效节省材料,提出一种面向熔融挤压式三维打印机的模型朝向优化算法.该算法基于深度剥离技术,以打印朝向为自变量构建模型悬空面积及其支撑结构体积的双目标优化函数;利用模式搜索方法设计一个两步走的优化方案来确定最优的打印朝向.实验结果表明,利用深度剥离技术能够较为准确、高效地检测出打印模型悬空区域,并计算出相应的悬空面积和支撑体积;设计的优化方案也能够根据双目标的权重比确定一个较优的打印朝向,不但减少了支撑结构与模型表面的接触范围,还能降低支撑结构的体积.文中算法在提高模型表面质量以及减少支撑结构的材料消耗两方面具有优势.