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熔融沉积式3D打印路径优化算法研究

更新时间：2019-12-30 07:14:45 大小：3M 上传用户：IC老兵查看TA发布的资源 标签：3D打印 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

针对目前3D打印加工耗时长、生产效率低的特点,提出一种熔融沉积式3D打印路径优化算法。针对部分零件切片轮廓封闭曲线多的情况,提出一种基于蚁群算法的轮廓路径规划方法,合理规划各轮廓的打印顺序。采用平行扫描对切片截面进行填充,分析扫描线角度对打印效率和打印质量的影响,确定最优扫描线角度,将填充区域进行区域划分,提出了一种基于四点法的区域合并算法,并采用临近法对合并区域打印次序进行优化。运用该算法进行零件打印实验,与传统的平行扫描法比较,3组零件的单层轮廓路径长度分别缩短了19.5%、12.5%、10.7%,打印时间缩短了12.6%、11.6%、8.9%,打印零件的尺寸精度和表面质量均有所提高,结果表明,该算法健壮有效并且打印效率更高。


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1577661278熔融沉积式3D打印路径优化算法研究.pdf 3M

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2 0 1 8  
3
农 业 机 械 学 报  
49  
3
卷 第 期  
年
月
第
doi: 10． 6041 /j． issn． 1000-1298． 2018． 03． 050  
3D  
熔融沉积式  
打印路径优化算法研究  
1，2  
2，3  
1
1
1
韩兴国  
宋小辉  
殷 鸣 陈海军 殷国富  
( 1．  
，
四川大学制造科学与工程学院 成都  
610065; 2．  
，
桂林航天工业学院机械工程学院 桂林  
541004;  
3．  
，
南安普顿大学环境与工程学院 南安普顿  
SO17 1BJ)  
:
3D  
、
，
3D 。  
打印路径优化算法 针对部分  
摘要 针对目前  
。
零件切片轮廓封闭曲线多的情况 提出一种基于蚁群算法的轮廓路径规划方法 合理规划各轮廓的打印顺序 采  
打印加工耗时长 生产效率低的特点 提出一种熔融沉积式  
，
，
， ， ，  
用平行扫描对切片截面进行填充 分析扫描线角度对打印效率和打印质量的影响 确定最优扫描线角度 将填充区  
， ， 。  
域进行区域划分 提出了一种基于四点法的区域合并算法 并采用临近法对合并区域打印次序进行优化 运用该  
， ，3 19. 5% 、12. 5% 、  
算法进行零件打印实验 与传统的平行扫描法比较 组零件的单层轮廓路径长度分别缩短了  
10. 7% ，  
打印时间缩短了  
12. 6% 、11. 6% 、8. 9% ， ， ，  
打印零件的尺寸精度和表面质量均有所提高 结果表明 该算法健  
。
壮有效并且打印效率更高  
: 3D  
; ; ; ;  
打印 熔融沉积 路径规划 蚁群算法 区域合并  
关键词  
: TP242 : A : 1000-1298( 2018) 03-0393-09  
文献标识码 文章编号  
中图分类号  
Path Optimization Algorithm of 3D Printing Based on  
Fused Deposition Modeling  
1，2  
2，3  
1
1
1
HAN Xingguo  
SONG Xiaohui  
YIN Ming CHEN Haijun YIN Guofu  
( 1． School of Manufacturing Science and Engineering，Sichuan University，Chengdu 610065，China  
2． College of Mechanical Engineering，Guilin University of Aerospace Technology，Guilin 541004，China  
3． Faculty of Engineering and Environment，University of Southampton，Southampton SO17 1BJ，UK)  
Abstract: In view of faults of the current 3D printing technology such as the long processing time and low  
production efficiency，a path optimization algorithm of 3D printing based on fused deposition modeling  
was developed． Because the slice contour of some printing parts was comprised of many closed curves，  
the starting point of each closed curve was determined by the nearest neighbor method and the 3D printing  
contour path planning was transformed into the trareling salesman problem． A contour path planning  
algorithm based on ant colony algorithm was developed in order to plan printing sequence of the contour  
paths reasonably． Parallel scanning method was adopted for filling the slice cross-section． Influence on  
printing efficiency and quality for different scanning angles was analyzed and optimal scanning angle was  
selected． The scanning area was divided into different areas and a region merging algorithm based on  
four-point method was developed． The printing sequence of the different areas was optimized by the  
nearest neighbor algorithm，which improved the scanning efficiency and molding quality． The experiment  
of printing parts was done by means of the path optimization algorithm． Compared with the traditional  
parallel scanning method，single layer contour path scanning lengths of the three parts were decreased by  
19. 5% ，12. 5% and 10. 7% ，the printing time was decreased by 12. 6% ，11. 6% and 8. 9% and the  
dimensional accuracy and surface quality were improved． The result showed that the path optimization  
algorithm was robust and effective and its efficiency was high．  
Key words: 3D printing; fused deposition; path planning; ant colony algorithm; region merging  
: 2017 10 25  
: 2017 12 27  
修回日期  
收稿日期  
: “ ”  
基金项目 十二五 国家科技支撑计划项目  
( 2015BAF27B01) 、  
国家自然科学基金项目  
( 51705094) 、 ( 2015GZ0036、  
四川省科技计划项目  
2016GZ0195)  
( KY2016YB535)  
和广西高校中青年教师基础能力提升项目  
:
作者简介 韩兴国  
( 1981—) ， ，  
， ，  
男 博士生 桂林航天工业学院副教授 主要从事机电一体化技术研究  
，E-mail: hanxingguo2004@ 163． com  
，E-mail: gfyin@ scu． edu． cn  
:
通信作者 殷国富  
( 1956—) ， ， ， ， CAD/CAM  
男 教授 博士生导师 主要从事 和智能制造及装备研究  
394  
2 0 1 8  
年
农
业
机
械
学
报
( 3)  
，
将填充区域进行子区域划分 采用四点法  
0
引言  
。
将能够连续打印的子区域进行合并  
3D  
( 4)  
熔融沉积式  
打印凭借高温将材料融化成液  
ABS  
采用临近算法对合并后的各区域打印次序  
， ，  
态 通过打印头挤出后固化 其材料主要是  
。
和
进行优化  
［1］  
PC  
。3D 、  
打印是一个由点到线 由线  
聚碳酸酯  
等
、 ，  
到面 由面到三维实体逐层累积的过程 需进行大量  
，
的路径扫描工作 打印路径关系到零件打印效率和  
［2］  
，
， 3D  
表面质量  
因此 对  
打印路径进行规划有广泛  
，
的应用需求 具有重要的理论价值和工程应用背景  
。
1
图
某零件截面轮廓图  
3D  
打印路径规划包含轮廓路径规划和填充路  
Fig． 1 Skeleton map of part cross-section  
， ，  
径规划 目前对轮廓路径规划的研究较少 填充路径  
［3 － 5］  
，
规划方法较多 主要有平行扫描  
、
星形发散扫  
2
轮廓路径规划  
［6］  
［7 － 8］  
［9］  
、
、
voronoi  
描
分形扫描  
螺旋线扫描 和基于  
zigzag ，  
法 应用  
［10］  
。
， ，  
对零件进行切片 得到各切片层的截面图 截面  
图的扫描  
等
平行扫描法又称为  
，
3D  
，
打印的生产效率 许多学者  
n ( ) ，  
轮廓是由 条封闭曲线 封闭环 构成 轮廓路径规  
极其广泛 为了提高  
提出了一些与之相关的路径规划算法  
［11 － 18］  
。
。
划就是对封闭环逐个打印 每个封闭环需确定一个  
［11 － 18］  
提出的路径规划算法在一定程  
， ， n ，  
打印起点 也是终点 整个截面中有 个起始点 不  
文献  
度上提高了  
，
3D  
，
打印效率和成型质量 但都有一定  
，
难看出 轮廓的路径规划问题可归结为经典的旅行  
( Traveling salesman problem，TSP) ，  
即在  
n
个
的局限性 未对填充子区域的合并和打印次序进行  
商问题  
， ，  
阐述 打印效率仍有进一步提升的空间 且对轮廓路  
，
起始点中寻找一条最优路径 使每个起始点只被穿  
，
径规划的研究较少 当打印零件截面轮廓包含的封  
，
越一次 这样可以减少零件的打印时间  
。
，
闭环多且复杂时 轮廓路径规划不合理会影响打印  
2. 1  
封闭环起始点确定  
。 ，  
效率 针对以上问题 本文提出一种熔融沉积式  
3D  
确定起始点的原则是每个封闭环仅有一个起始  
， 、  
打印路径优化算法 通过最优扫描线角度选取 填充  
，
点且各封闭环的起始点之间的距离最小 本文采用  
。
一种改进的近邻法确定起始点 假设截面轮廓包含  
子区域合并和合并区域打印序列优化等一系列算法  
， ，  
对填充路径合理规划 此外 提出一种基于蚁群算法  
n
，Loop = { Loop ，Loop ，…，Loop } ，  
轮廓中  
n
个封闭环  
1
2
，
的轮廓路径规划方法 合理规划各轮廓的打印顺序  
。
m ，  
所有封闭环由 个顶点构成 顶点集为  
P = { P ，  
1
P ，…，P } ，  
任一封闭环的顶点集为  
2
P = { P ，P ，  
i i1 i2  
n
1
方法概述  
…，P } ，  
其中  
ik  
n
m = k + k + … + k ，  
确定起始点的具  
2
1
n
3D  
，
打印是对零件逐层打印 零件每层切片轮廓  
:
体步骤如下  
( 1)  
［19］  
。
的形状可能各不相同  
某零件切片后的截面图  
P 1  
取顶点集 中第 个顶点  
P
作为封闭环  
11  
1 ， 9 ，  
如图 所示 该截面包含 个封闭环 对层面轮廓各  
P
， S = P ，  
的起始点 令 并将  
11  
P
P
。
中去除  
从
1
1
1
， ，  
封闭环的打印次序进行规划 即轮廓路径规划 各封  
( 2)  
S
P ，  
中各点的距离 将距  
依次求解顶点  
到
1
，
闭环之间为零件实体 以直线方式对各封闭环之间  
S
离顶点 最近的顶点  
1
P ( 1  
ij  
j
≤ ≤  
k )  
i
， S =  
取出 令  
2
，
的区域进行填充 并对填充路径进行规划  
，3D  
打印  
P ，  
并将  
ij  
P
P
。
从
i
中去除  
( 2)  
的路径规划主要包括轮廓路径规划和填充路径规  
( 3)  
，
的思路 依次求解顶点  
S
P
到
按照步骤  
i
， ，  
划 为了防止零件发生变形和翘曲 先进行轮廓打  
， S  
中各点的距离 找到距离顶点 最近的顶点作为  
i
， 。  
印 后进行填充打印 对零件的轮廓路径和填充路  
S
， ，  
依次遍历所有的未访问封闭环顶点集 直到在  
P
i +1  
、 ，  
径进行合理 有效的规划 对于提高打印效率和打印  
1
中的最后 个封闭环中找到  
S ， S ，S ，…，  
依次求出  
4
n
3
。
质量具有重要的意义 本文所述路径规划方法实施  
S ，  
可得起始点集  
n
C = { S ，S ，…，S } 。  
1 1 2 n  
:
步骤如下  
( 4)  
C ，  
依次求解 中相邻两点间的距离 并求和  
1
( 1)  
， ，  
对打印零件进行切片 形成层面轮廓 基于  
d = S S + S S + … + S S + S S 。  
2 3 n － 1 n n  
1
1
2
1
蚁群算法对层面轮廓中的各封闭环的打印次序进行  
( 5)  
P
依次选取 中的顶点作为相对应封闭环的  
( 1) ～ ( 4) ，  
的思路 可依次求  
。
规划  
，
起始点 按照步骤  
步骤  
( 2)  
，
综合考虑效率因素和打印质量 确定各切  
m
解出 个起始点集  
C ，  
并求出相对应的  
r
d ， ，  
其中  
r
。
片层填充区域扫描线的最优角度  
1
r
≤ ≤  
m。  

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