3D打印中STL文件相關(guān)研究與應(yīng)用

3D打印里，STL文件應(yīng)用最為廣泛。本文比較分析了兩種不同表示方法的STL格式，探討了其優(yōu)勢與缺陷。依據(jù)文件數(shù)據(jù)特點(diǎn)，構(gòu)建了頂點(diǎn)和三角形面片的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，用于讀取文件與保存模型數(shù)據(jù)。闡述OpenGL渲染原理及實(shí)際模型顯示流程后，采用C++結(jié)合OpenGL技術(shù)實(shí)現(xiàn)模型渲染與可視化，便于后期觀察數(shù)據(jù)處理結(jié)果，保障處理準(zhǔn)確性。

3D打印中的臺(tái)階效應(yīng)與處理

3D打印采用逐層疊加帶厚度切片的方式，當(dāng)相鄰兩層輪廓線在分層平面正投影不重合時(shí)，會(huì)產(chǎn)生臺(tái)階效應(yīng)。這種階梯狀表面對(duì)產(chǎn)品表面粗糙度、尺寸精度影響大，還會(huì)給產(chǎn)品后處理帶來不便。臺(tái)階效應(yīng)程度與成形方向直接相關(guān)，所以選擇合適的成形方向十分關(guān)鍵。

自適應(yīng)分層中的體積誤差計(jì)算

自適應(yīng)分層中，層高是變量，計(jì)算體積誤差時(shí)無法以公因數(shù)形式提取。因此，需先根據(jù)不同自適應(yīng)分層算法確定的層高，單獨(dú)計(jì)算每一層每個(gè)三角形面片產(chǎn)生的體積誤差，再累加各層體積誤差得到總體積誤差。
實(shí)現(xiàn)局部區(qū)域體積誤差計(jì)算的基本思路：

1. 遍歷自適應(yīng)分層算法生成的輪廓線段。
2. 依據(jù)輪廓線段所在三角形與切平面的位置關(guān)系關(guān)聯(lián)局部區(qū)域，計(jì)算體積誤差。
3. 完成IS遍歷即完成局部區(qū)域體積誤差計(jì)算，無遺漏和重復(fù)。
4. 最后考慮兩相鄰切平面之間的三角形。

基于遺傳算法的目標(biāo)優(yōu)化求解

遺傳算法全局最優(yōu)解搜尋能力強(qiáng)，能自適應(yīng)調(diào)整搜索方向，且不受目標(biāo)函數(shù)性質(zhì)約束。本文用其對(duì)目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)進(jìn)行迭代求解。個(gè)體體積誤差越大，適應(yīng)度越低。在編碼范圍內(nèi)，對(duì)種群個(gè)體按適應(yīng)度施加遺傳操作，用新種群替換當(dāng)前種群，循環(huán)此過程使問題解不斷優(yōu)化，直至產(chǎn)生最優(yōu)解。

優(yōu)化算法結(jié)果對(duì)比與分析

與本文優(yōu)化結(jié)果對(duì)比可知：

1. 模型自適應(yīng)分層時(shí)，基于等厚分層的優(yōu)化算法得出的最小體積誤差未達(dá)全局最小值，兩種情況下最佳成形方向不一致。
2. 本文算法能找到層厚變化下的最小體積誤差，得出最佳成形方向。
3. 優(yōu)化時(shí)將層厚設(shè)為定值，算法適用于基于等厚分層的模型成形方向優(yōu)化。
4. 本文算法利用分層生成輪廓線段的共同屬性，可結(jié)合其他自適應(yīng)分層算法優(yōu)化成形方向，找到適合不同算法的模型最佳成形方向。

算法優(yōu)勢與應(yīng)用實(shí)例

分析等厚分層與自適應(yīng)分層在成形方向優(yōu)化中的差異，提出適合分層厚度變化情況的模型成形方向優(yōu)化算法，解決了現(xiàn)有算法只能在等厚前提下優(yōu)化的問題。
實(shí)例表明：

1. 基于等厚分層得出的模型最佳成形方向與自適應(yīng)分層基礎(chǔ)上的結(jié)果不一致。
2. 3D打印常需對(duì)模型自適應(yīng)分層，此時(shí)基于等厚分層的成形方向優(yōu)化算法無法使模型體積誤差達(dá)全局最小值。
3. 本文算法能找到自適應(yīng)分層下的最佳成形方向，提升模型表面質(zhì)量。
4. 算法能結(jié)合其他自適應(yīng)分層算法優(yōu)化成形方向，提高適用性。

未來研究方向與軟件算法提升

本文優(yōu)化算法是僅考慮表面質(zhì)量的單目標(biāo)優(yōu)化，實(shí)際打印可能還需考慮成形高度和減少支撐，未來將探討層厚變化前提下模型成形方向的多目標(biāo)優(yōu)化。
隨著對(duì)打印精度、成形質(zhì)量要求提高，除從硬件提高打印設(shè)備定位精度外，從軟件算法著手也很有效，主要體現(xiàn)在：

1. 提高原始數(shù)據(jù)精度，調(diào)整3D模型到STL的轉(zhuǎn)換精度，增加網(wǎng)格數(shù)量，使STL模型更逼近3D模型真實(shí)表面。
2. 通過后續(xù)算法，如成形方向選擇和更細(xì)密切片等，盡可能保留原始信息。

分層算法改進(jìn)與效率提升

使用高精度STL模型或減小分層厚度，會(huì)大幅提高數(shù)據(jù)處理復(fù)雜度，對(duì)分層算法提出更高要求。
提出的“前邊”“后邊”概念，使任意三角形與切平面相交時(shí)僅需計(jì)算一個(gè)交點(diǎn)，所需存儲(chǔ)交點(diǎn)數(shù)量減半，算法通過“公共邊”匹配形式對(duì)交點(diǎn)進(jìn)行輪廓構(gòu)造。
具體描述為：將三角形法向量指向觀察者，三角形與切平面的左相交邊為前邊，右相交邊為后邊，公共邊為相鄰三角形共用邊。循環(huán)上述步驟完成輪廓構(gòu)造。
算法順序遍歷一次STL模型即完成分層，無需像構(gòu)建拓?fù)潢P(guān)系或?yàn)槿切闻判蚰菢颖４嬷虚g數(shù)據(jù)，提高了效率、節(jié)約了內(nèi)存。
其關(guān)鍵在于“前邊”“后邊”判定和根據(jù)ECC算法進(jìn)行輪廓構(gòu)造，計(jì)算得到一個(gè)交點(diǎn)后，ECC算法在當(dāng)前層查找“公共邊”，找到相鄰三角形并完成交點(diǎn)插入。

輪廓構(gòu)建速度提升與切片效率優(yōu)化

分析STL模型三角形面片與相鄰切片層位置關(guān)系發(fā)現(xiàn)，生成相鄰輪廓層的三角形有一定比例重復(fù)，同一三角形中相鄰交點(diǎn)輪廓構(gòu)造方式可能相同，這部分交點(diǎn)可按上一層輪廓構(gòu)造過程插入。
若能剔除所有“公共邊”重復(fù)查找部分，將大幅提高模型輪廓構(gòu)建速度，提升切片效率。顯然，分層厚度越小，生成相鄰切片輪廓的重復(fù)三角形數(shù)量越多，可避免的重復(fù)計(jì)算量越大。因此，文獻(xiàn)提出的ECC算法雖高效，但仍有改進(jìn)空間。

輪廓生成與歸并

STL文件中三角形出現(xiàn)無序，順序讀入時(shí)三角形面片在實(shí)際模型中不一定相鄰，按上述步驟執(zhí)行，算法在每個(gè)切片層會(huì)產(chǎn)生大量輪廓片段，程序運(yùn)行中這些離散輪廓片段逐漸歸并，最終在各層形成若干首尾相連的輪廓。
生成相鄰兩層切片輪廓的三角形大量重復(fù)，本文算法核心思想是利用上一層交點(diǎn)輪廓構(gòu)造信息決定下一層交點(diǎn)插入位置，直接歸并離散輪廓，避免“公共邊”匹配。因此，需先分析交點(diǎn)所有可能的插入位置。

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