從3D打印的歷史背景出發(fā)，闡述了3D打印的基本原理和目前常見的幾種成形工藝，并介紹了3D打印技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。以此為基礎(chǔ)，從以下幾個方面對3D打印進行了研究：

STL文件讀取及可視化

介紹了3D打印中最為常用的STL文件，比較分析了兩種不同表示方法的STL格式，并根據(jù)數(shù)據(jù)特點構(gòu)建了存儲結(jié)構(gòu)。使用C++語言并結(jié)合OpenGL技術(shù)實現(xiàn)模型的渲染及可視化。

成形方向優(yōu)化

針對目前算法僅考慮在等厚分層的前提下進行優(yōu)化的問題，提出基于自適應(yīng)分層的模型成形方向優(yōu)化算法。

• 在自適應(yīng)分層的基礎(chǔ)上，將不同成形方向下實際模型與理論模型之間的“差異”以體積誤差的形式量化，得到成形方向和體積誤差之間的數(shù)學(xué)函數(shù)。
• 通過STL模型的坐標(biāo)變換使得自適應(yīng)分層能沿任意方向進行，隨后分析了三角形面片與分層平面之間的位置關(guān)系，并完成整個模型的體積誤差計算。
• 選取全局搜索能力最優(yōu)的遺傳算法在全局范圍內(nèi)搜索最優(yōu)解，得到最佳成形方向。

一種改進的高效輪廓構(gòu)造算法

針對目前切片算法在處理具有大量網(wǎng)格的高精度STL模型或切片細(xì)密時算法效率低下的問題，提出了一種高效輪廓構(gòu)造算法。

• 首先分析了交點在進行輪廓構(gòu)造時所有可能出現(xiàn)的情形，并將這些情形用枚舉類型進行保存。
• 然后根據(jù)三角形頂點的Z坐標(biāo)數(shù)值建立了分層區(qū)域的概念，并按交點所在的分層區(qū)域?qū)λ薪稽c進行分類。
• 通過數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計和兩個核心規(guī)則的建立使得算法能夠避免大量的鏈表遍歷和檢查，大大簡化了輪廓構(gòu)造過程。
• 同時算法將所有交點以“二維”數(shù)據(jù)的形式保存，并使用增量算法計算交點，進一步降低了內(nèi)存占用和計算量。

軟件系統(tǒng)的開發(fā)

利用Visual Studio 2017進行軟件開發(fā)，主要內(nèi)容包括：

• 界面的設(shè)計
• 模型的旋轉(zhuǎn)、平移、縮放與視圖變換
• 上述算法的實現(xiàn)與結(jié)果顯示等

軟件操作簡便，具有良好的交互性。

計算機在讀取不同格式的三維模型時，只有按照特定格式的規(guī)則來讀取，才可以正確地讀取模型中的數(shù)據(jù)信息。其中STL格式是目前3D打印機支持率最高的格式，幾乎所有的CAD軟件都支持將3D模型輸出成STL格式。STL文件通過大量三角形網(wǎng)格來逼近實體表面，顯然三角形面片數(shù)量越多模型的精度就越高，也越接近實體表面，但相應(yīng)的體積也會隨之增大，同時會造成后續(xù)數(shù)據(jù)處理的復(fù)雜度增加。

STL文件有2種表示方法，一種是ASCII明碼格式，另一種是二進制格式，這兩種格式各有各的特點：

• ASCII格式的文件可讀性好，模型數(shù)據(jù)直觀明了，但磁盤占用量大；
• 二進制格式雖可讀性差但磁盤占用少，約為ASCII明碼格式的1/6。

ASCII格式使用記事本可直接打開，每個三角形法向量和頂點的坐標(biāo)信息都可以編輯和修改。與ASCII使用標(biāo)識符來提示輸出信息不同，二進制格式的STL文件以固定的字節(jié)數(shù)循環(huán)給出每個三角形的數(shù)據(jù)信息。

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