点样条曲面重建机理及打印路径规划研究

The digital modeling and reconstruction of free-form surfaces is an important part of the 3D printing system. Precision in surface modeling is the precondition of a high precision 3D printing process. To realize the personalization of 3D printing, a convenient and fast method to reconstruct the surface model should be investigated. Based on the method of surface shape adjustment, the ‘growing’ method is proposed in this project to fit the discrete points into a point spline surface. According to the arbitrary topology of the point spline surface, the local refinement of the point spline surface is put forward, including the insertion of control vertex and the node vector. Considering the contribution of a control vertex in its dominating area, the method to adjust the control vertex and the node vector is studied. Combining the insertion and the adjustment of the control vertices, the reconstruction of the free-form surface is implemented. To achieve the high precision printing of the free-form surface model, the printing path planning and print codes generation algorithms will be investigated. Precision modeling-reconstruction-print codes generation method for free-form surface provides a complete set of solutions for the personalization of 3D printing. It is appreciated highly in its scientific value and vast application prospect.

自由曲面的数字化建模和重建是3D打印系统中的重要组成部分，精确的曲面建模是高精度3D打印的前提，快速方便的自由曲面重建是实现3D打印技术个性化定制的关键科学问题。本项目在曲面形状调整方法的基础上，提出基于“生长法”的空间离散数据点的点样条曲面拟合方法；针对点样条曲面任意拓扑结构的特性，提出基于虚网格的点样条曲面局部细化方法，包括插入的控制顶点坐标信息和节点矢量信息的确定；利用样条曲面控制顶点在其作用域中对曲面的贡献量，研究了点样条曲面控制顶点坐标和节点矢量的调整方法；结合点样条曲面控制顶点的插入和调整，实现对自由曲面模型的重建。为实现自由曲面模型的高精度打印，研究点样条曲面模型的3D打印路径规划及打印代码生成算法。自由曲面模型的精确建模-重建-打印代码生成方法为3D打印的个性化定制提供了一整套的解决方案，具有重大的科学研究价值和广阔的工程应用前景。

点样条曲面去除了传统样条曲面中控制网格对曲面控制顶点节点矢量的限制，在曲面的局部细化、建模中有着特有的优势。本课题主要对点样条曲面的重建机理进行了研究，首先确立了一种点样条曲面的表达形式，并通过建立虚网格模型实现点样条曲面的局部细化；研究了点样条曲面控制顶点的调整方法，进而得出离散数据点的点样条曲面模型拟合方法，通过对初始曲面进行迭代“生长”实现曲面重建；将点样条曲面局部细化和重建方法用于自由曲面精度检测，可以针对曲面不同区域实现不同精度等级的检测，减少坐标采样点，提高自由曲面精度检测的效率；3D打印工件的残余应力容易导致工件开裂，对降低工件残余应力方法的研究，采用超声辅助脉冲激光表面辐照的方式有效降低了工件表面的残余应力的产生，提高了工件的表面质量。本研究为探讨新型的自由曲面建模方式建立了坚实的理论基础，项目后续将开展点样条曲面模型重建技术在3D打印模型的个性化设计中的应用研究。项目发表SCI论文2篇，EI论文1篇，授权发明专利2项，软件著作权1项，培养在读硕士生1名。