华中科技大学硕士学位论文三维打印系统数据处理软件的研究姓名：纪可申请学位级别：硕士专业：数字化材料成形指导教师：蔡道生20080604华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I摘摘 要要 经济化、桌面化是快速成形技术的一个很重要的发展趋势。而三维打印是适应于该发展趋势的新型快速成形技术。三维打印数据处理软件是三维打印软件系统中的重要组成部分。数据处理软件的功能有接受 STL 文件输入、接受用户的参数输入与系统状态显示，生成每一层的实体图像和支撑图像。本文主要的研究内容是三维打印系统数据处理软件中的实体图像生成模块和支撑图像生成模块。 本文首先对活性边表填充算法进行研究和改进。改进后的新算法能将扫描填充转化为整数比较，从而避免了反复运算引起的填充误差，同时也避免了传统活性边表填充算法中需要判断特殊交点个数的问题。实现了实体轮廓准确填充的工作。 其次研究出扫描线段转化为 BMP 位图的算法，实现了实体图像生成模块。 再次对五种传统的支撑生成方法进行研究和改进，改进后的算法能适用于三维打印系统。这五种支撑生成方法分别是：在 CAD 模型上手动生成支撑法；BOX 型支撑自动生成算法；基于投影区域的支撑自动生成算法；轮廓求差法和线段求差法。并分别对这些算法的优劣进行比较。 最后研究出一种比较适合于三维打印系统的支撑自动生成算法图像求差法。该方法不会生成多余支撑结构，并且比传统的支撑方法简单、准确度高。 上述三维打印数据处理软件中的实体图像生成模块和图像求差自动生成支撑模块经过系统调试后，均取得满意的实验结果。 关键词：关键词：快速成形；三维打印系统； 数据处理软件； 实体图像； 支撑图像 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 IIAbstract Economy and mini type is a very important development trend in the rapid prototyping technology. The data processing software is a very important part in the three- dimensional printing software system. It has the function of accepting STL data, accepting customers parameters, system states display, creating every entity image and support image. My main research content is entity image generation module and support image generation module in the three- dimensional printing software system. Firstly, active lines table filling algorithm is researched and improved. This new algorithm can translate scan filling into integer comparing in order to avoid filling error owing to repeating operation. At the same time, it can avoid accounting the number of intersection points in the traditional active lines table filling algorithm. The new algorithm realized entity images exact filling. Secondly, the scan lines are translated into BMP image in order to accomplish entity lattice generation. Thirdly, five traditional support generation algorithms are researched so that they can be applied in the three- dimensional printing system. These five support generation algorithms are manual design in the CAD model; automatic support generation based on box type; automatic support generation based on projection area; lattice minus operation and scan lines minus operation. These algorithms are compared with each other in order to get their advantages and disadvantages. Fourthly, a mostly compatible automatic support generation algorithm of the three- dimensional printing systemimage minus operation algorithm is researched and realized. By this algorithm, no redundant support configuration can be produced. Besides, this algorithm is more simple and exact than traditional support generation algorithms. The entity image generation module and support image generation module of the three- dimensional printing data processing software have passed system simulation and have got satisfactory test result. It has been validated on three- dimensional printing system already. 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 IIIKeywords: rapid prototyping； three- dimensional system； data processing software， entity image； support image 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密，在_年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 11 绪绪 论论 1.1 行业及技术背景研究行业及技术背景研究 1.1.1 快速成型技术行业背景快速成型技术行业背景 快速成形（Rapid Prototyping,以下简称 RP）技术产生于 20 世纪 80 年代后期，在机械、航空、航天、汽车领域都有良好的应用前景。它综合计算机科学、激光科学、新材料、CAD/CAM 集成等技术为一体，形成了一种 CAD 三维模型设计到实际原型/零件加工的全新制造技术。它采用“增长”的加工方法不但能够迅速的将设计转化成实体，而且不受零件复杂程度的限制。 RP 是一种由 CAD 模型直接驱动、快速生成任意复杂形状三维实体的技术12。它是基于数学微积分的基本原理，将 CAD 软件生成的三维模型沿一定方向（一般为Z 方向） 微分化为一系列有序的二维层面， 然后再根据每个二维层面的轮廓信息确定具体的加工方法，利用积分的思想，根据所确定的加工方式依次制造每个二维层面并将它们粘结起来，得到三维实体3。在实际加工过程中，CAD 模型实体部分的材料处于一个逐点或逐层堆积的过程中，是一种生长型制造（Additive Manufacturing）技术，是本世纪先进制造技术的 12 大前沿之一45。RP 技术根据加工方式不同又发展出几种不同的成形技术，如选择性激光烧结（Selective Laser Sintering,简称 SLS）技术、 立体光造型 （Stereo Lithography Apparatus,简称 SLA） 技术、 熔丝沉积制造 （Fused Deposition Modeling,简称 FDM） 技术、 分层实体制造 （Laminated Object manufacturing,简称 LOM）技术和三维打印技术（Three Dimentional Printing）等6- 8。 快速成型制造技术与传统材料加工技术有本质区别，它具有一些鲜明的特点9- 11： （1）高柔性的数字化制造：快速成型制造技术最鲜明的特点就是“CAD 模型直接驱动”，以及在成型形状复杂程度上的无限制、柔性好，是真正意义上的数字化制造。快速成型制造取消了专用成型工具，在计算机控制下可以制造出任意复杂形状的零件，把编程、重组、连续改变的生产装备用信息方式集成到一个制造系统中，能够很好地将 CAD 与 CAM 结合起来。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2（2）技术的高度集成：快速成型制造技术是计算机技术、数控技术、激光技术与新材料技术的综合集成。在成型概念上，它以离散堆积为指导，在控制上以计算机 CAD 成型处理和数控为基础，以最大的柔性为目标。 （3）快速性：“即时制造”和“快速成型”反映了该技术的快速性。快速成型制造技术是建立在高度技术集成的基础之上，从 CAD 设计到原型（或零件）加工完毕，只需几小时至几十小时。虽然复杂，较大的零件也可能达到上百小时，但从总体上看，速度要比传统成型方法快得多。快速性的最突出体现是无需工模具设计、制造和调整。从全过程来看，能够快速完成设计与制造一体化，这使得快速成型制造技术尤其适合于新产品的开发与管理。 （4）RP 所用的材料类型丰富多样，包括树脂、纸、工程蜡、工程塑料、陶瓷粉、砂等，可以在航空、机械、家电等各个领域应用。此外，快速成型制造技术是边堆积边成型的，因此它有可能在成型的过程中改变成型材料的组分，从而制造出具有材料梯度的零件，这是其他传统工艺难以做到