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《华中科技大学》 2009年
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光固化三维打印快速成形关键技术研究

刘厚才  
【摘要】: 随着经济的全球化,市场竞争将越来越激烈,产品能否快速响应市场已经成为企业竞争胜败的关键,因此,对能够提高新产品开发成功率、降低产品开发时间和开发成本的快速成形设备的需求将越来越大。同其它主流快速成形技术相比,三维打印快速成形技术在成形速度、可成形材料种类、设备价格、运行和维护成本等方面具有明显优势,具有良好的发展潜力和广阔的应用前景,代表着快速成形技术的发展方向。根据三维打印快速成形技术发展的趋势,结合我国工业生产的需要,本文主要开展了光固化三维打印快速成形技术的研究,致力于开发具有自主知识产权的经济型光固化三维打印快速成形设备。论文的主要研究内容如下: 对喷射液滴在成形表面上的扩展和再融合过程进行了理论分析,经计算确定了在作者设计的光固化三维打印快速成形系统中,XY平面上的实际打印分辨率要求应不低于300dpi,Z轴方向上的最小成形层厚为0.011mm。对光固化三维打印快速成形工艺中材料固化过程进行了理论分析,得到了最大固化深度与紫外灯的运动速度之间的关系,以及打印头沿X轴运动速度与切片厚度应满足的关系。 基于保证使用性能和降低设备硬件成本的思想,进行了光固化三维打印快速成形原型机的机械系统、控制硬件系统和控制软件系统的总体规划和结构设计,为开发出具有自主知识产权的光固化三维快速成形设备奠定了基础。 根据光固化三维打印快速成形技术中单层成形加工所需要的控制状态数,采用了2张单色位图来表示光固化三维打印快速成形系统中的层面数据,一张表示实体数据信息,另一张表示支撑数据信息。位图数据的生成采用扫描线填充方式,结合快速成形系统中CAD模型经切片后得到轮廓环数据的特点,提出了一种基于轮廓边的位图生成算法。该位图生成算法很好地解决了用常规的活性边表法难以判断和处理的当扫描线通过水平轮廓边所带来的奇点问题。实现了基于该方法的光固化三维打印快速成形层面实体位图生成算法和支撑位图的快速求解算法。 根据光固化三维打印快速成形系统中层面位图数据的特点和常用无损位图数据压缩方法的不足,设计了一种基于字节的位图数据无损压缩方法。该位图压缩方法充分利用了光固化三维打印快速成形系统中层面位图数据的特点,压缩比高,经过对多个CAD模型的位图数据的压缩比较,最小压缩比为12.1:1,最大压缩比达53.9:1。该位图压缩方法在对位图数据进行压缩和解压的过程中,不需要进行复杂的计算,速度快,耗时少,对光固化三维打印快速成形系统这种有成百上千层位图数据需要处理的场合不会构成瓶颈,较好地满足了光固化三维打印快速成形系统中对数据压缩的要求。 分析了多目标优化基准算法——第二代非支配排序遗传算法的不足,提出了相应的改进措施,在此基础上提出了一种新的多目标优化算法——非支配排序均匀遗传算法。通过仿真测试表明非支配排序均匀遗传算法在求解精度、计算效率和避免算法陷于局部最优解方面具有明显优势。 研究了光固化三维打印快速成形工艺中零件制作方向对制件表面质量、所需支撑和制作时间的影响。提出了将基于Pareto最优原理的多目标优化方法用于零件制作方向优化求解的新思路。用本文提出的非支配排序均匀遗传算法进行零件制作方向的优化计算,表明其不仅可以求出比单目标优化方法更优的零件制作方向,而且在一次优化计算中就可得到多个在一定权重分配下零件的最优制作方向。
【学位授予单位】:华中科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TP334.8

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【引证文献】
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【参考文献】
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【同被引文献】
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【二级引证文献】
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