FDM快速成型支撐結(jié)構(gòu)自動(dòng)生成算法的研究

王彥云，陳 鴻，謝明師，楊凱祥

(中北大學(xué) 儀器與電子學(xué)院，山西 太原 030051)

FDM快速成型支撐結(jié)構(gòu)自動(dòng)生成算法的研究

王彥云，陳 鴻，謝明師，楊凱祥

(中北大學(xué) 儀器與電子學(xué)院，山西 太原 030051)

FDM系統(tǒng)中零件原形的加工是靠熱噴頭擠出熔絲逐層堆積而成的。因此，支撐結(jié)構(gòu)的添加對(duì)零件原形的制作起著至關(guān)重要的作用。針對(duì)支撐結(jié)構(gòu)的需求，采用了一種新的支撐自動(dòng)生成算法。該算法基于STL模型首先需提取待支撐區(qū)域，然后添加相應(yīng)的支撐結(jié)構(gòu)，最后確定待支撐區(qū)域的起點(diǎn)和終點(diǎn)。實(shí)際應(yīng)用表明，生成支撐的效果良好。

FDM系統(tǒng);支撐結(jié)構(gòu);自動(dòng)生成算法;STL模型

0 引言

快速成型技術(shù)(RP)是20世紀(jì)80年代后期發(fā)展起來(lái)的，由三維CAD模型直接驅(qū)動(dòng)、快速生成任意復(fù)雜形狀三維實(shí)體的一種新型制造技術(shù)，它高度集成了自動(dòng)控制、CAD/CAM技術(shù)、數(shù)字控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)、激光技術(shù)、新型材料科學(xué)等學(xué)科最新成果[1]。目前，F(xiàn)DM快速成型設(shè)備因具有小巧、價(jià)格低廉、應(yīng)用材料范圍廣泛、可直接制成工業(yè)產(chǎn)品等優(yōu)點(diǎn)，在企業(yè)設(shè)計(jì)之中有著廣泛的應(yīng)用[2]。

FDM系統(tǒng)在加工零件原形時(shí)，當(dāng)前層都是在上一層上堆積而成的，前一層對(duì)當(dāng)前層起到定位和支撐的作用，隨著高度的增加，層片輪廓的面積和形狀都會(huì)發(fā)生變化，當(dāng)上層截面大于下層截面時(shí)，使截面部分發(fā)生塌陷或變形，影響零件的成型精度，因此，支撐對(duì)零件原形的制作起著至關(guān)重要的作用[3]。支撐添加技術(shù)有兩種：一種是在繪制三維CAD模型時(shí)手動(dòng)添加支撐，另外一種是由軟件自動(dòng)生成支撐。支撐的手動(dòng)生成技術(shù)要求用戶(hù)對(duì)成型工藝很熟悉，支撐添加的質(zhì)量難以保證。所以支撐的自動(dòng)生成方法是人們研究的重點(diǎn)，支撐自動(dòng)生成算法主要有兩種，分別基于多邊形布爾運(yùn)算和STL模型。前者算法較復(fù)雜，可能生成多余的支撐;后者識(shí)別局部支撐，節(jié)省支撐材料，能準(zhǔn)確添加支撐結(jié)構(gòu)，是支撐自動(dòng)生成技術(shù)的重點(diǎn)研究方向[4]。

基于以上這些情況，本文采用了基于STL模型支撐自動(dòng)生成技術(shù)，待支撐面使用了間隔型薄壁支撐;由于FDN工藝中要求加工路徑盡量連續(xù)和支撐穩(wěn)定性，因此本文采用中心線法來(lái)生成懸吊邊和懸吊點(diǎn)的支撐體;用投影法和干涉法確定支撐終點(diǎn)和起點(diǎn)，減少了材料使用，節(jié)省了加工時(shí)間，提高了快速成形的效率。

1 待支撐區(qū)域的識(shí)別

對(duì)待支撐區(qū)域的零件CAD模型進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)零件有3種特征時(shí)需要添加相應(yīng)的支撐，它們分別是待支撐面、懸吊邊、懸吊點(diǎn)。

1.1 待支撐面的識(shí)別

遍歷STL模型中所有的三角面片，對(duì)三角面片的法向量與Z軸正方向的夾角進(jìn)行判斷，如圖1所示，如果這個(gè)夾角θ大于一定的閾值，則該三角面片需要添加支撐。這些三角面片是獨(dú)立的，面積小且數(shù)量多，不宜單獨(dú)支撐，需要對(duì)這些三角面片進(jìn)行整合，連接成待支撐面。三角面片的連接方式與下面懸吊邊的連接方式類(lèi)似，采用種子三角面片[5]。

圖1 待支撐面特征示意圖

1.2 懸吊邊的識(shí)別

如圖2所示，實(shí)體中存在的兩個(gè)傾斜面的共邊AB為懸吊邊。若判斷某條邊為懸吊邊，首先懸吊邊所在兩三角形面片都是非待支撐三角面片;其次懸吊邊兩端點(diǎn)的Z坐標(biāo)必須小于該三角面片的另一個(gè)點(diǎn)的Z坐標(biāo);最后懸吊邊的兩三角形面片的法向矢量之和，必須指向Z軸的負(fù)方向。懸吊邊是由零散的單個(gè)三角面片懸吊邊連接成的長(zhǎng)的宏觀懸吊邊。

圖2 懸吊邊特征示意圖

邊的連接不同于面片的合并，是必須按照點(diǎn)的先后順序來(lái)連接。首先找到懸吊邊中兩個(gè)端點(diǎn)的其中一個(gè)端點(diǎn)，這個(gè)端點(diǎn)與其他的邊不共點(diǎn);然后通過(guò)端點(diǎn)所在線的另一點(diǎn)，找出與其共點(diǎn)的邊，按照這種方法就可以得到所需要的懸吊邊[6]。算法流程圖 3所示。

圖3 懸吊邊連接算法流程圖

1.3 懸吊點(diǎn)的識(shí)別

懸吊點(diǎn)是指零件模型上出現(xiàn)的由一些面構(gòu)成的孤立點(diǎn)，如圖4所示，該點(diǎn)的Z坐標(biāo)是構(gòu)成它的三角面片中最小的。但某一頂點(diǎn)被判別為懸吊點(diǎn)，僅此一個(gè)條件是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，首先構(gòu)成懸吊點(diǎn)的三角面片都是非懸吊三角面片;其次也是最重要的，包含懸吊點(diǎn)的三角形面片法矢之和不能朝上。

圖4 懸吊點(diǎn)特征示意圖

2 支撐結(jié)構(gòu)的生成

2.1 待支撐區(qū)域支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.1.1 待支撐面支撐的添加

本文對(duì)待支撐面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)采用的是間隔型薄壁支撐[7]，節(jié)省材料的同時(shí)，又易于去除，支撐不容易發(fā)生坍塌，保證了它的穩(wěn)定性。該算法步驟為：首先對(duì)待支撐面在XOY平面內(nèi)進(jìn)行投影;然后求出這個(gè)投影多邊形的最小包絡(luò)矩形，在矩形內(nèi)設(shè)定垂直分層線，平行于X軸或 Y軸，這些線之間的距離是相同的[8]，沿支撐投影的輪廓邊界順序與垂直分層線連接，形成某個(gè)分層面中的支撐，如圖5所示，將這些分層面中的支撐堆疊而成間隔型薄壁支撐。當(dāng)這些薄壁支撐達(dá)到一定高度時(shí)，容易發(fā)生塌陷，所以間隔型薄壁支撐應(yīng)該交錯(cuò)添加。

圖5 分層面薄壁支撐示意圖

2.1.2 懸吊邊支撐的添加

懸吊邊一般添加單臂板支撐，但是如果懸吊邊的高度很高，單臂板往往不能夠保證支撐的穩(wěn)定性，于是就采用中心線法來(lái)生成懸吊邊的支撐體，即以懸吊邊為中心線生成包含中心線的矩形或多邊形，如圖6所示，d為支撐寬度。

圖6 懸吊邊生成示意圖

生成方法是：將懸吊線向垂直方向的上方和下方偏移，再將偏移后得到的多邊形連接起來(lái)，再向工作平面投影來(lái)建立支撐體[6]。

2.1.3 懸吊點(diǎn)支撐的添加

懸吊點(diǎn)通常采用十字形支撐來(lái)處理，當(dāng)懸吊點(diǎn)的高度大于某個(gè)臨界值時(shí)，十字支撐就不能起到很好的支撐作用，此時(shí)需要對(duì)其作一些變化，如圖7所示。

生成方法是：以懸吊點(diǎn)為十字的中心，然后將十字投影到工作臺(tái)上，根據(jù)參數(shù)d來(lái)構(gòu)建上圖所示的多邊形，其中多邊形的中心線與 X軸和 Y軸平行。

圖7 懸吊點(diǎn)生成示意圖

2.2 支撐起點(diǎn)和終點(diǎn)的確定

當(dāng)一個(gè)支撐的二維位置確定后，還要確定支撐的最高點(diǎn)和最低點(diǎn)，即終點(diǎn)和起點(diǎn)。終點(diǎn)由要待加支撐區(qū)域在該位置的高度確定，先將待支撐區(qū)域在XOY平面內(nèi)投影，在二維投影中，找出已經(jīng)確定的第一個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)(x1，y1)，然后在該待加支撐面中找出包含該點(diǎn)坐標(biāo)位置的那個(gè)三角面片，設(shè)該三角面片的法向量為n(nx，ny，nz)，其中一個(gè)頂點(diǎn)的坐標(biāo)為(x'，y'，z')，利用該三角面片的法向量和一頂點(diǎn)的坐標(biāo)得到該三角面片所在平面的方程，即：nx(x-x')+ny(y-y')+nz(z-z')=0，再把(x1，y1)坐標(biāo)帶入上述方程中就可以得到一個(gè)z1坐標(biāo);然后再找到第二點(diǎn)坐標(biāo)(x2，y2)，與第一個(gè)點(diǎn)的求法相同，將它帶入上述方程，可得到一個(gè)z2坐標(biāo)。最后比較z1和z2的大小，將其中大的 Z坐標(biāo)作為支撐的終點(diǎn)[9-10]。

本文采用干涉法來(lái)確定支撐的起點(diǎn)，干涉法是對(duì)待支撐區(qū)域在XOY平面內(nèi)投影與STL模型中上表面進(jìn)行的干涉，這里的上表面指的是法矢朝上(即沿 Z軸正方向)的面以及向上傾斜的面。判斷投影區(qū)域是否會(huì)與上表面發(fā)生干涉，首先找出低于待支撐區(qū)域邊界中最低點(diǎn)的上表面，將它們投影在XOY平面內(nèi)，若待支撐區(qū)域的投影∩上表面的投影=φ，則說(shuō)明待支撐區(qū)域與上表面不發(fā)生干涉，即支撐起點(diǎn)從工作臺(tái)開(kāi)始;若待支撐區(qū)域的投影∩上表面的投影≠φ，則說(shuō)明待支撐區(qū)域和上表面發(fā)生了干涉。發(fā)生干涉的情況又可分為兩種，一種待支撐區(qū)域的投影全部落在上表面上，一種待支撐區(qū)域的投影與上表面投影有部分相交[6]。當(dāng)待支撐區(qū)域的投影落在上表面上時(shí)，支撐的起點(diǎn)從該上表面開(kāi)始，確定方法與終點(diǎn)的確定類(lèi)似，取比較小的Z值作為支撐的起點(diǎn)。

3 實(shí)驗(yàn)

本文利用 VC++6.0對(duì)支撐的自動(dòng)生成進(jìn)行了開(kāi)發(fā)[11]，為了驗(yàn)證支撐結(jié)構(gòu)的合理性和可靠性，把 STL模型輸出到3D打印機(jī)上進(jìn)行加工，如圖8所示。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)基于STL模型自動(dòng)生成算法的研究，對(duì)待支撐面采用了薄壁型結(jié)構(gòu)，生成的支撐不僅穩(wěn)定，而且節(jié)省了材料;確定支撐的起點(diǎn)和終點(diǎn)，使得快速成形支撐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，同時(shí)提高了效率。實(shí)驗(yàn)的支撐添加效果表明，支撐填充合理，沒(méi)有待支撐特征遺漏，該算法保證了零件的順利成型。

圖8 模型制作示意圖

[1]馮俊麗.淺談快速成型技術(shù)的原理、應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)[J].佳木斯教育學(xué)院學(xué)報(bào)，2013(12)：227-228.

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[4]洪軍.面向 STL模型特征的支撐生成技術(shù)研究[D].西安：西安交通大學(xué)，2000.

[5]王占禮，盧凱，胡艷娟.熔融沉積快速成型支撐結(jié)構(gòu)技術(shù)研究[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2014，36(11)：13-17.

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[11]王清輝，王彪.CAD應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)詳解[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

Research on algorithm of the automatic support generation for FDM rapid prototyping

Wang Yanyun，Chen Hong，Xie Mingshi，Yang Kaixiang
(School of Instrument and Electronics，North University of China，Taiyuan 030051，China)

The prototype is made by extruding a semi-molten filament through a heated nozzle in the manufacturing system of FDM.As a result，the adding of the support structure plays a vital role.A new support generation algorithm is proposed to meet the need of adding support.Based on STL model，firstly，the region where requires support is recognized.Secondly，the support structure is added.Finally，the beginning and end of the support region are determined.Practical application shows that generated support effect is excellent.

FDM system;support structure;automatic generation algorithm;STL model

TP391.7

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.08.041

王彥云，陳鴻，謝明師，等.FDM快速成型支撐結(jié)構(gòu)自動(dòng)生成算法的研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015，41 (8)：146-148.

英文引用格式:Wang Yanyun，Chen Hong，Xie Mingshi，et al.Research on algorithm of the automatic support generation for FDM rapid prototyping[J].Application of Electronic Technique，2015，41(8)：146-148.

2015-04-20)

王彥云(1989-)，女，碩士研究生，主要研究方向：快速成形。

陳鴻(1963-)，男，博士，教授，主要研究方向：快速成形技術(shù)和視光學(xué)設(shè)備。

謝明師(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向：快速成形。