發(fā)布時間：2020-06-08 16:44

【摘要】： 經(jīng)過十多年的發(fā)展,國內在快速成形(Rapid Prototyping,RP)領域取得了長足的進步,但許多方面與國際領先水平相比還存在不小的差距。本文對快速成形軟件與工藝的若干關鍵問題進行了研究,內容包括STL模型布爾運算的研究與實現(xiàn)、相交性測試的優(yōu)化、SLS(Selective Laser Sintering)輻射加熱建模、以及SLS自動控溫四個方面。其理論和成果,不僅為華中科技大學RP軟件和設備提高水平、實現(xiàn)商品化作出了較大貢獻,而且為快速成形技術在我國的推廣應用提供了有力的軟件工具。 STL模型布爾運算的實現(xiàn)是國內開發(fā)優(yōu)秀的RP數(shù)據(jù)處理軟件的瓶頸問題,本文提出并實現(xiàn)了一種基于交線環(huán)探測的STL模型布爾運算的算法。通過相交性測試獲得相交三角形及對應的相交線段,通過以交線環(huán)探測為目標來確定交線的有效性,大大提高了布爾運算過程的效率和穩(wěn)定性。分別以交線鏈和交線環(huán)為邊界,對相交三角形和相交表面進行了剖分。通過判斷特征點是否在實體對應高度切片的實體區(qū)域內,實現(xiàn)了一個實體各個面域與另一個實體的包含關系的判斷。通過布爾運算可以在三維層次上修改和編輯STL模型,這為解決RP應用過程中一系列棘手的數(shù)據(jù)處理問題提供了一個有力的工具。 STL模型布爾運算求交時,直接對兩個模型的基本幾何元素間兩兩進行相交性測試,會遇到嚴重的算法效率問題。本文提出了空間分解法和層次包圍體樹法兩種相交性測試優(yōu)化方法,并詳細說明了采用均勻單元格的空間分解法和AABB層次包圍體樹法對相交性測試進行優(yōu)化的具體步驟。這兩類方法通過快速排除明顯不會發(fā)生相交的三角形,找出潛在的相交區(qū)域或潛在的相交三角形對,大大減少了必須直接進行相交性判斷的三角形對的數(shù)目,提高了算法效率。 燒結尼龍基復合材料直接制作功能件是SLS技術的一個重要的發(fā)展方向,具有廣闊的應用前景。但國產(chǎn)SLS設備的預熱溫度場的均勻性難以滿足尼龍材料燒結時苛刻的控溫要求,嚴重制約了SLS功能件材料的實驗研究與推廣應用。為了找出影響溫度場分布不均的直接原因及影響溫度場分布的因素,本文對HRPS系列SLS燒結系統(tǒng)采用的管式輻射加熱系統(tǒng)進行了數(shù)學建模,通過數(shù)值計算獲得了各個安裝高度下溫度場的分布情況、均勻度以及最大偏差的變化曲線。通過總結不同高度下溫度場的變化規(guī)律,提出了合理的改善預熱溫度場均勻性的措施。這種分析方法為進一步開發(fā)輻射加熱均勻性較好的預熱裝置提供了有益的借鑒和分析工具。 制件的翹曲是高分子聚合物選擇性激光燒結過程中普遍存在的破壞性現(xiàn)象,對這種現(xiàn)象的合理抑制是燒結工藝的關鍵性內容。傳統(tǒng)的采用人工調節(jié)預熱溫度的方法大大增加了操作人員的勞動強度,嚴重影響了設備的智能化和自動化水平。本文分析和總結了翹曲產(chǎn)生的原因以及翹曲現(xiàn)象的發(fā)展規(guī)律,利用翹曲規(guī)律將整個逐層加工過程的控溫工藝分為一般層控溫和關鍵層控溫。通過軟硬件結合的方式實現(xiàn)了關鍵層的自動判斷、系統(tǒng)的自動精確測溫、升降溫速度自動調節(jié)等功能,使逐層制造過程中各層預熱溫度能根據(jù)各層屬性的不同自動調節(jié),真正實現(xiàn)了SLS成形過程的自動化。
【圖文】：

圖 1-1 RP 軟件基本功能描述.2.1 國外成形軟件概述國外的 RP 公司和研究機構對 RP 軟件都非常重視并投入大量人力和資金進行軟的研究和開發(fā)。國外的各大 RP 系統(tǒng)生產(chǎn)商一般都開發(fā)自己的數(shù)據(jù)變換接口軟件，如 3DYSTEM 公司的 ACES、QuickCast，Hellisys 公司的 LOMSlice，DTM 的 Rapid Too1，tratasys 的 QuickSlice、SupportWorks、AutoGen，Cubital 的 SoliderDFE，Sanderrototype 的 protoBuild 和 ProtoSupport 等[4]。由于 CAD 與 RPM 的數(shù)據(jù)變換接口軟件開發(fā)的困難性和相對獨立性，國外涌現(xiàn)很多作為 CAD 與 RP 系統(tǒng)之間橋梁的第三方軟件，這些軟件一般都以常用的數(shù)據(jù)件格式作為輸入輸出接口。輸入的數(shù)據(jù)文件格式有 STL、IGES、DXF、HPGL、T 層片文件等，，而輸出的數(shù)據(jù)文件一般為 CLI。以下是國外比較著名的一些第三方接口軟件，其中 Magics RP 是當今最有影響

圖 1-2 Magics RP 的軟件界面(3)模型的最優(yōu)放置 快速放置工具能夠將多個零件快速而方便的放在平臺上，能夠在幾秒鐘內將零件轉換到所希望的成型角度。(4)分層功能 對 STL 模型進行切片，能夠快速準確的對切片輪廓的正確性進行校驗，將切片結果輸出為不同的文件格式供加工軟件使用。(5)支撐設計模塊 能在很短的時間內自動設計出各種類型的支撐。(6)網(wǎng)格優(yōu)化模塊(Remesh) 由于眾多的 FEA & CFD(有限元分析和計算流體動力學)模擬軟件采用 STL 模型作為三維實體數(shù)據(jù)模型，模擬時對三角面片的形態(tài)質量有較高的要求，三角片的形狀越接近等邊三角形，F(xiàn)EA 計算的結果就越接近真實情況。該模塊可以快速地將形狀細長的三角片轉化成近似等邊的三角形面片。(7)點云輸入模塊(Point cloud import) 該模塊可以將反求系統(tǒng)獲得的點云直接導
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2006
【分類號】：TH16

【引證文獻】

相關期刊論文 前1條

1 劉冰;張李超;莫健華;錢波;;基于空間離散化的STL模型布爾運算[J];華中科技大學學報(自然科學版);2009年01期

相關博士學位論文 前1條

1 李敏;金屬板材漸進成形CAM技術研究[D];華中科技大學;2012年

相關碩士學位論文 前1條

1 呂狀;三維網(wǎng)格模型編輯變形方法的研究與實現(xiàn)[D];西北大學;2011年

本文編號：2703361