摘 要

3D打印一直是制造业领域研究的热点，它融合了计算机和机械制造等学科特色。3D打印技术的核心是切片处理，切片算法对打印制造的快速性和高精度有显著的影响，也对计算机编程技术提出了较高的要求。为了提高3D打印精度和速度，降低打印成本，本文重点研究了3D打印的快速路径规划算法，主要工作包括：

1）从宏观的角度解析了3D打印的基本原理及其打印流程。然后对现有的STL模型分层切片算法进行了详细分析和比较。

2）基于路径优化研究，对开源软件Cura的上层算法CuraEngine进行解读，并着重研究了CuraEngine中路径规划算法程序。

3）根据3D打印对路径规划算法的需求，提出了一种基于主元分析的快速路径规划算法的改进策略。最后将不同的路径规划算法导入CuraEngine函数库，利用Cygwin软件对其验证，针对实际模型获得打印时间与耗材长度，经比较分析得出路径规划算法优劣性的结论。

本文的特色：对CuraEngine中路径规划算法源代码进行解读并通过软件进行了比较验证，基于路径优化研究，提出了利用主元分析的路径规划算法改进策略。

关键词：3D打印；分层切片算法；CuraEngine；路径规划；算法仿真验证

Abstract

3D printing in manufacturing has been a hot area of research, which combines computer and mechanical manufacturing, and other subject characteristics. Slicing is a core technology of 3D printing. Slicing algorithm has a significant effect on print speed and high-precision manufacturing, and computer programming technology put forward higher requirements. In order to improve the accuracy and speed of 3D printing, reduce printing costs, the thesis focuses on the fast path planning algorithm for 3D printing. The main work includes:

1)The thesis resolves the basic principles of 3D printing from a macro point of view, then analyzes and compares the existing STL model slicing algorithm and features.

2)Based on path optimization study, the thesis interprets the open source software Cura upper algorithm CuraEngine, and focuses on the CuraEngine path planning algorithm program.

3)According 3D printing needs for path planning algorithm, principal component analysis to optimize filling of the scan path improvement program is used. Finally, the thesis enters a different path planning algorithm to CuraEngine library, uses Cygwin software to verify it, gets printing time and supplies for the length of the actual model. After the comparative analysis, the advantages and disadvantages of the path planning algorithm conclusions are gotten.

Features of the thesis: interpreting the CuraEngine path planning algorithm source code and using Cygwin software to verify it. Based on path optimization study, the thesis uses principal component analysis to optimize filling of the scan path improvement program

Key Words:3D printing；Slicing algorithm；CuraEngine；Path planning；Algorithm simulation and verification

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及目的意义 1

1.2 国内外研究现状分析 1

1.3 本论文主要工作及技术方案 3

第2章 3D打印技术与分层切片算法 5

2.1 3D打印基本原理 5

2.2 3D打印流程 6

2.3 STL文件与STL模型数据格式 7

2.4 STL分层切片算法常用的方法及分析 8

2.4.1 STL模型几何连续性的分层切片算法 8

2.4.2 面片分组与分层制造同步的算法 10

2.4.3 分组排序结合对边求交的算法 12

2.5 STL分层切片算法常用的方法比较及总结 13

第3章 面向3D打印的快速路径规划算法 14

3.1 路径规划与开源软件Cura概述 14

3.2 实用的路径规划算法CuraEngine及其原理 14

3.3 CuraEngine中路径优化算法解析 16

3.3.1 CuraEngine路径优化算法 16

3.3.2 CuraEngine中路径优化算法步骤说明及流程图 20

3.4 基于主元分析的路径规划算法改进策略 21

3.4.1 3D打印对路径规划算法的需求分析 21

3.4.2 主元分析原理 22

3.4.3 基于主元分析的路径规划算法 22

第4章 路径优化算法的仿真验证 25

4.1 编译软件Cygwin和VS2015介绍 25

4.2 Cygwin对CuraEngine的编译调试 25

4.3 多种不同算法对3D打印模型的影响分析 27

4.3.1对STL模型的打印耗时比较 31

4.3.2 对STL模型的打印耗材比较 34

4.4 仿真验证结论 37

第5章 总结与展望 38

5.1 本文工作总结 38

5.2 经济性分析 38

5.3 进一步工作的展望 38

参考文献 40

致 谢 41

第1章 绪论

1.1 研究背景及目的意义

3D打印技术，它是一种有着工业革命性质的制造技术，在当今的制造业领域蓬勃发展。这项技术源自于上个世纪80年代，它不同于去除材料进行加工的方法，而是基于三维数字模型，利用类似于塑料的可粘合材料并运用逐层制造的方法粘合这些材料形成实物的工艺技术^[1]。该技术应用领域广泛，涉及到计算机技术，机械等众多学科知识。3D打印技术将与数字化生产模式一起推动实现新的工业革命，这会带来全球制造业经济的重大变革，目前在全球范围内是一个引人关注的热点话题。

3D打印技术，相比于传统制造，由于其有着工艺上的创新，故被科学界称作是“工业革命的关键生产工具”^[2]。3D打印技术工艺类型总体上有5类，它们分别是：SL立体光刻,立体光固成型,PVC塑料烫印复膜,FDM熔融挤出成型,3DP三维喷绘打印。本文的研究内容将是以桌面级熔融挤出成型打印机为对象进行的。桌面级的3D打印机主要是为了阐明工艺原理；工业级的3D打印机则主要是为了原型制造和直接产品制造^[3]。

经过几十年的发展，3D打印已经逐渐普遍化，成熟化。但仍然存在诸多不足，如打印精度，打印材料，打印成本等并不能令人满意。本论文针对当前国内外对于提高3D打印精度，速度和效率的普遍问题，将研究面向3D打印的快速路径规划算法。通过研究相关资料，分析当前已有的一些3D打印路径规划算法，再结合3D打印对路径规划算法的需求^[4]，考虑国内外对于提高3D打印精度，速度和效率的迫切要求，总结现有算法的一些不足。针对这些不足提出实用高效的3D打印的快速路径规划算法，对原有算法做一些改进，从而达到提高3D打印精度，速度和效率的目的，解决现有算法对于打印质量效率不够完善的问题。通过优化路径规划算法程序，并经过计算机模拟仿真验证不仅可以大大减少研究费用，缩短了研发周期，还可以在测试能达到预期结果的情况下导入实际的3D打印机，提升当前打印机产品的竞争力^[5]。

1.2 国内外研究现状分析

随着3D打印技术在全球范围内的快速发展，制造业领域正进行着一场重大的变革，传统的设计理念和制造体系都将面临一场革新。3D打印技术有着广泛的应用领域，在国内外现在主要应用在工业设计，航空工业，军事领域，医药工业，家居行业，建筑行业等方面^[6]。经过几十年的发展历程之后才形成了现有的3D打印技术，目前已经取得了显著地进展。例如采用数字制造，快速制造，堆积制造，降维制造以及直接制造等方法^[7]，它们有非常快的研制速度优势，可以一次性加工出特殊奇异的形状，在使用性能上有质的飞跃。相比于传统的工业产品开发方法，往往是模具制作完成以后再做样品，而运用3D 打印技术不需要制作模具，这就大大节省了制造时间，从以前的1/10 降低到1/5，费用降低到以前的1/3以下^[8]。与传统模型制作相比，3D打印制作精度高，周期短，成本相对低，耗材多样性并可实现个性化制作^[9]。