快速成形软件与工艺若干关键技术研究

论文摘要

经过十多年的发展,国内在快速成形(Rapid Prototyping,RP)领域取得了长足的进步,但许多方面与国际领先水平相比还存在不小的差距。本文对快速成形软件与工艺的若干关键问题进行了研究,内容包括STL模型布尔运算的研究与实现、相交性测试的优化、SLS(Selective Laser Sintering)辐射加热建模、以及SLS自动控温四个方面。其理论和成果,不仅为华中科技大学RP软件和设备提高水平、实现商品化作出了较大贡献,而且为快速成形技术在我国的推广应用提供了有力的软件工具。STL模型布尔运算的实现是国内开发优秀的RP数据处理软件的瓶颈问题,本文提出并实现了一种基于交线环探测的STL模型布尔运算的算法。通过相交性测试获得相交三角形及对应的相交线段,通过以交线环探测为目标来确定交线的有效性,大大提高了布尔运算过程的效率和稳定性。分别以交线链和交线环为边界,对相交三角形和相交表面进行了剖分。通过判断特征点是否在实体对应高度切片的实体区域内,实现了一个实体各个面域与另一个实体的包含关系的判断。通过布尔运算可以在三维层次上修改和编辑STL模型,这为解决RP应用过程中一系列棘手的数据处理问题提供了一个有力的工具。STL模型布尔运算求交时,直接对两个模型的基本几何元素间两两进行相交性测试,会遇到严重的算法效率问题。本文提出了空间分解法和层次包围体树法两种相交性测试优化方法,并详细说明了采用均匀单元格的空间分解法和AABB层次包围体树法对相交性测试进行优化的具体步骤。这两类方法通过快速排除明显不会发生相交的三角形,找出潜在的相交区域或潜在的相交三角形对,大大减少了必须直接进行相交性判断的三角形对的数目,提高了算法效率。烧结尼龙基复合材料直接制作功能件是SLS技术的一个重要的发展方向,具有广阔的应用前景。但国产SLS设备的预热温度场的均匀性难以满足尼龙材料烧结时苛刻的控温要求,严重制约了SLS功能件材料的实验研究与推广应用。为了找出影响温度场分布不均的直接原因及影响温度场分布的因素,本文对HRPS系列SLS烧结系统采用的管式辐射加热系统进行了数学建模,通过数值计算获得了各个安装高度下温度场的分布情况、均匀度以及最大偏差的变化曲线。通过总结不同高度下温度场的变化规律,提出了合理的改善预热温度场均匀性的措施。这种分析方法为进一步开发辐射加热均匀性较好的预热装置提供了有益的借鉴和分析工具。制件的翘曲是高分子聚合物选择性激光烧结过程中普遍存在的破坏性现象,对这种现象的合理抑制是烧结工艺的关键性内容。传统的采用人工调节预热温度的方法大大增加了操作人员的劳动强度,严重影响了设备的智能化和自动化水平。本文分析和总结了翘曲产生的原因以及翘曲现象的发展规律,利用翘曲规律将整个逐层加工过程的控温工艺分为一般层控温和关键层控温。通过软硬件结合的方式实现了关键层的自动判断、系统的自动精确测温、升降温速度自动调节等功能,使逐层制造过程中各层预热温度能根据各层属性的不同自动调节,真正实现了SLS成形过程的自动化。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外快速成形软件概述
• 1.2.1 国外成形软件概述
• 1.2.2 国内快速成形软件概述
• 1.2.3 STL 模型布尔运算—国内RP 数据处理软件的瓶颈
• 1.3 SLS 温控工艺问题的研究
• 1.3.1 预热温度控制与SLS 功能件制作
• 1.3.2 SLS 系统的自动控温问题
• 1.4 课题的来源和主要研究内容
• 1.4.1 课题来源
• 1.4.2 研究目的和意义
• 1.4.3 本文的主要工作
• 2 STL 模型布尔运算的研究与实现
• 2.1 引言
• 2.2 STL 网格模型的相关定义与规则
• 2.3 三维实体正则集合运算原理
• 2.3.1 正则集的定义
• 2.3.2 正则集布尔运算公式
• 2.4 STL 模型布尔运算的实现步骤
• 2.5 STL 文件的存储格式
• 2.6 STL 模型的拓扑重构
• 2.6.1 读入顶点坐标建立顶点数组
• 2.6.2 点归并
• 2.6.3 边归并
• 2.6.4 建立封闭表面索引
• 2.7 相交性测试
• 2.7.1 面面相交性测试
• 2.7.2 线面相交性测试
• 2.7.3 两种相交性测试方法比较
• 2.8 交线环探测
• 2.9 相交表面的剖分
• 2.9.1 相交三角形沿交线剖分为多边形
• 2.9.2 相交三角形二次三角划分后剖分
• 2.9.3 相交三角形环带及相交表面的剖分
• 2.10 位置关系测试
• 2.10.1 STL 模型切片轮廓环的性质
• 2.10.2 基于轮廓关系矩阵的轮廓环分组算法
• 2.10.3 点与轮廓环包含关系的判断
• 2.11 程序界面和计算实例
• 2.12 STL 模型布尔运算的应用初探
• 2.13 本章小结
• 3 相交性测试优化方法研究
• 3.1 引言
• 3.2 空间分解法
• 3.2.1 单元格的划分
• 3.2.2 计算与一个三角面片相交的单元格
• 3.2.3 找出所有可能相交的三角形
• 3.2.4 空间分解法优化实例
• 3.3 层次包围体树法
• 3.3.1 包围盒及层次包围体树的概述
• 3.3.2 AABB 层次二叉树的构建
• 3.3.3 AABB 层次二叉树的遍历
• 3.4 本章小结
• 4 SLS 辐射加热建模及分析
• 4.1 引言
• 4.2 SLS 预热温度场的传热分析
• 4.3 辐射加热建模与求解
• 4.3.1 辐射加热建模
• 4.3.2 辐射加热模型求解
• 4.4 数值计算与结果分析
• 4.4.1 温度场的均匀度评价
• 4.4.2 测温点的最大偏差评价
• 4.5 改进措施
• 4.6 本章小结
• 5 SLS 自动控温问题的研究
• 5.1 概述
• 5.2 高分子材料的玻璃化温度和熔融温度
• 5.3 高分子材料的应力松弛
• 5.4 粉末烧结翘曲原因综合分析
• 5.5 预热对翘曲的制约及升高预热温度带来的清粉问题
• 5.6 翘曲的发展规律分析
• 5.7 自动控温的阶段划分
• 5.8 温度控制单元的组成
• 5.9 温度测量的意义及测温方法选择
• 5.9.1 温度传感器的选择
• 5.9.2 红外测温的原理
• 5.10 影响红外测温精度的因素
• 5.11 温度标定时的最小二乘曲线拟合
• 5.12 自动控温的程序实现
• 5.12.1 关键层判断
• 5.12.2 基于一维布尔运算的关键层判断算法
• 5.12.3 关键层列表的设计与实现
• 5.12.4 基于多线程的自动控温程序实现
• 5.13 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读学位期间发表的论文目录