FDM快速成型中工艺支撑的智能化设计

论文摘要

快速成形技术是20世纪80年代中后期发展起来的、观念全新的现代制造技术,它能以最快的速度将设计思想物化为具有一定结构和功能的三维实体,低成本制作产品原型甚至零件,非常适合当代市场竞争的需要。而对于其中的光固化（SLA）和熔融沉积（FDM）快速成形工艺,支撑结构的产生是一项必不可少的工艺规程,支撑结构在固定零件、保持零件形状、减少翘曲变形方面有着重要作用。为了开发出拥有自主知识产权的熔融沉积快速成形系统,本论文展开了支撑智能化设计研究工作。首先,支撑数量的多少直接影响到零件与支撑相接触面的表面质量、增加加工废料和去除的难度,针对此问题本文进行了分层方向优化,减少了支撑生成数量;基于STL模型分层后的层片文件,论文采用了先填充后比较的支撑设计方法将复杂的轮廓环布尔运算转化为二维线段的逻辑比较运算,提高了支撑生成效率;为优化扫描路径、缩短零件制造周期,对生成的支撑线段进行了分区域规划和标准CLI格式输出;最后以Visual C++为编程语言、OpenGL为图形工具,开发了一个支撑自动生成的可视化软件,并将该软件模拟产生的CLI格式零件在快速成型机上进行了生产实验,实验结果表明:文中支撑结构自动生成方案正确、可靠、实用,具备投入实际生产的经济价值。同时在本文的工作中,还在以下方面加入了新的设计方法和思想:首先,将分层方向优化物化为三个直接的数学模型指标,通过零件的可视化将经验优选与目标定量计算相结合。对于特定的成型物件,根据制作者对各指标的侧重程度（即既权重系数）就可以选择相应的最佳制作方向,简便实用。其次,将各层面轮廓填充转化为二维线段后,在进行上下层面二维线段的求差、并运算时不是直接进行各端点坐标浮点数的逻辑判断比较,而是对各点进行合并排序并附加状态标志,然后根据一条线段中首末两点的状态位就可直接实现该线段的去除或保留,大大简化了逻辑判断的复杂程度。最后,基于层片扫描线比较产生的各层支撑线均为同一方向,为实现上下两层支撑线的十字交叉填充、增加支撑强度,本文提出了层片分别沿水平和垂直方向填充、进行两次支撑运算,然后奇数层输出相应的水平支撑线、偶数层输出相应的垂直支撑线,即实现了隔层交叉填充。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题背景
• 1.2 研究目的及意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 本课题主要研究内容
• 第2章 零件分层制作方向优化
• 2.1 引言
• 2.2 制作方向多目标优化模型
• 2.2.1 优化模型中定义的阈值函数
• 2.2.2 分层方向单目标优化模型
• 2.3 制作方向优选的实现
• 2.3.1 STL格式文件数据的读取
• 2.3.2 STL数据模型可视化的实现
• 2.3.3 多目标优化模型目标值的定量计算
• 2.4 应用算例
• 2.5 本章小结
• 第3章 支撑结构类型及支撑设计方法概述
• 3.1 支撑结构及其类型
• 3.2 手动支撑设计方法
• 3.2.1 三维CAD数据模型上设计支撑结构
• 3.2.2 在分层截面轮廓上设计支撑结构
• 3.3 自动支撑设计方法
• 3.3.1 BOX型支撑自动生成方法
• 3.3.2 基于投影区域的支撑自动生成方法
• 3.3.3 基于层片布尔运算的自动支撑设计方法
• 3.3.4 基于零件STL格式的支撑自动生成
• 3.4 本章小结
• 第4章 基于扫描线比较的自动支撑设计方法的实现
• 4.1 层片文件纠错及冗余点的去除
• 4.1.1 不封闭轮廓线的处理
• 4.1.2 冗余点的数据处理
• 4.2 内外轮廓识别及轮廓偏置
• 4.2.1 内外轮廓的判断
• 4.2.2 轮廓环方向的判断
• 4.2.3 轮廓偏置算法的实现
• 4.3 基于扫描线比较的自动支撑设计步骤
• 4.3.1 基于扫描线的支撑快速生成思想
• 4.3.2 层片轮廓预填充
• 4.3.3 扫描填充线段的差、并运算
• 4.3.4 支撑结构的隔层交叉填充
• 4.3.5 支撑结构的缩减
• 4.4 本章小结
• 第5章 支撑结构的分区域规划和扫描填充路径生成
• 5.1 支撑结构的分区和扫描填充路径的生成
• 5.1.1 现有的扫描填充方式分析
• 5.1.2 基于交点排序的分区算法
• 5.2 层片填充数据的输出
• 5.2.1 CLI标准简介
• 5.2.2 层片填充数据输出实例
• 5.3 本章小结
• 第6章 支撑自动生成软件的系统测试和实验验证
• 6.1 软件系统测试
• 6.1.1 测试零件
• 6.1.2 模拟显示
• 6.2 实验验证
• 6.2.1 装置介绍
• 6.2.2 实验方案
• 6.3 本章小结
• 第7章 全文总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果