區(qū)別于傳統(tǒng)的“去除材料”加工模式，快速成型技術(shù)是通過分層處理技術(shù)將復(fù)雜的三維零件變成一系列二維層面的加工技術(shù)，比傳統(tǒng)的加工方法節(jié)約了工時和成本�？焖俪尚图夹g(shù)的核心是分層處理，對模型的分層結(jié)果直接決定了終的成型效率和精度。本書在以下四個方面做出了較為深入的研究工作：
1）在STL模型的三維可視化環(huán)節(jié)中引入了OpenGL的三個動態(tài)鏈接庫。其中，幾何內(nèi)核庫是核心，它定義了STL模型中幾何對象（三角面片、單一實體等）的類；圖形繪制庫實現(xiàn)了模型顯示的材質(zhì)、光源和模型變換等功能；基本幾何庫是其他兩個動態(tài)鏈接庫的基礎(chǔ)，它提供了基本的幾何對象類與幾何關(guān)系計算函數(shù)。通過以上三個動態(tài)鏈接庫構(gòu)建的層次結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了STL模型的可視化。
2）在STL模型的等厚度分層算法中，搜索相交三角面片時，逐步刪除那些已經(jīng)參與過求交點的三角面片，實現(xiàn)遍歷范圍的逐步縮減，減少三角面片被重復(fù)搜索的次數(shù)。同時建立存儲相交三角面片的對象（自由三角面片表）來存儲當(dāng)前層上的相交三角面片，并建立基于自由三角面片表的動態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。動態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)充分利用了STL模型上相鄰層之間信息高重復(fù)率的特點，能快速生成閉環(huán)輪廓。
3）在適應(yīng)性分層算法中，首先根據(jù)FDM（Fused Deposition Modeling,熔積成型法）成型工藝中的成型設(shè)備噴頭規(guī)格以及所使用的耗材的熱膨脹系數(shù)推算出分層厚度的值和小值，確定適應(yīng)性分層厚度的取值范圍。在適應(yīng)性分層厚度值的選擇上，通過計算相鄰層閉環(huán)輪廓之間的長度差值比率和重心偏移距離與設(shè)定閾值的偏差，來共同約束適應(yīng)性分層的分層厚度。
4）在區(qū)域填充路徑的優(yōu)化研究中，針對STL模型形成的輪廓截面誤差分析，采用NURBS曲線和直線相結(jié)合的方法，使輪廓曲線更加逼近原截面輪廓，比單純地使用NURBS曲線減少了工作量，縮短了擬合時間。針對復(fù)合掃描方式，將不同的掃描速度、掃描間距和掃描方式相結(jié)合，提出匹配的工藝方法，兼顧模型精度的同時減少了填充區(qū)域用時。將填充區(qū)域劃分成一個個單獨的子區(qū)域進(jìn)行填充，并對各子區(qū)域描述路徑先后順序進(jìn)行優(yōu)化處理，以達(dá)到避免噴頭跨越型腔，減少了子區(qū)間跳轉(zhuǎn)的距離，且有效減小了翹曲變形。
小羅伯特·沃恩·湯普森博士、教授
美國密蘇里大學(xué)核科學(xué)與工程研究院、機(jī)械與航空航天工程系、微粒子系統(tǒng)研究中心基于自由三角表的低冗余動態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
分層算法與填充序前言
隨著當(dāng)前國家政策對快速成型技術(shù)的鼓勵和扶持，國內(nèi)許多研究機(jī)構(gòu)在快速成型技術(shù)中投入了大量人力和資金�？焖俪尚图夹g(shù)也依靠自身優(yōu)勢條件在汽車制造、航空航天、食品加工、納米制造、工業(yè)設(shè)備、醫(yī)療以及軍事等領(lǐng)域取得了許多重大的研究成果，并產(chǎn)生了翻天覆地的改變。中國傳統(tǒng)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型離不開快速成型這一戰(zhàn)略技術(shù)，但是在快速成型技術(shù)上，與國外先進(jìn)水平相比，中國還有一定差距，進(jìn)口的快速成型設(shè)備價格比較高，并且有很多限制使用條件。如何制造出自己的高尖端的快速成型設(shè)備是我們亟需解決的問題。如何有效地對模型相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以及在保證打印模型精度和強度的條件下提高成型效率是需要解決的重要問題。
本書首先針對STL模型在快速成型技術(shù)中的分層處理環(huán)節(jié)進(jìn)行了研究，開發(fā)了基于MFC（Microsoft Foundation Classes,微軟基礎(chǔ)類庫）單文檔應(yīng)用程序框架模板和OpenGL圖形庫的分層處理應(yīng)用程序STLSlicing，該軟件以文本格式的STL模型為數(shù)據(jù)接口文件，實現(xiàn)了STL模型的三維可視化、等厚度分層及適應(yīng)性分層等功能。書中提出的分層算法都在應(yīng)用程序STLSlicing上得到了實現(xiàn)，分層效果的實例驗證與其相應(yīng)的理論分析結(jié)果基本一致。通過本書的研究，提高了等厚度分層的分層效率，在適應(yīng)性分層中，在提升分層精度的同時分層效率也得到了保障，從而為下一步應(yīng)用程序與快速成型設(shè)備的匹配提供了可能性。
然后，針對熔融沉積成型區(qū)域填充路徑進(jìn)行了優(yōu)化研究，其目標(biāo)是在滿足模型表面輪廓精度的條件下縮短填充時間，提高熔融沉積成型填充效率。依據(jù)熔融沉積成型過程影響成型精度的因素綜合分析研究，運用NURBS擬合的方法減少填充過程中的輪廓誤差。在獲得原模型的逼近輪廓曲線后，對截面輪廓內(nèi)部進(jìn)行路徑填充。首先運用區(qū)域分割算法把存在孔、洞的輪廓分成兩個或者多個單獨的區(qū)域，再采用凹變形凸分解算法把每個單獨區(qū)域分成多個子區(qū)域，該算法有效減少噴頭跨越內(nèi)孔以及非成型區(qū)域的次數(shù)。這樣，噴頭空行程僅存在于從一個子區(qū)域到另一個子區(qū)域的過程中。在運動學(xué)模型下，通過對熔融沉積成型技術(shù)填充過程中填充角度的分析研究，發(fā)現(xiàn)不同區(qū)域存在著的填充角度。在每個子區(qū)域采用不同填充角度的方法可以有效地減少填充時間，并且減少填充過程中內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生。后通過實例驗證該優(yōu)化方法的有效性和正確性，對保證模型精度、提高成型效率有很高的研究意義。
于文強
于2022年3月基于自由三角表的低冗余動態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
分層算法與填充