面向大型工业级3D打印的几何模型及内容高效生成研究

3D printing has attracted great attention as an integration between high-end equipment manufacturing (HEM) and new generation information technologies. This project aims at solving the scientific problems that arise from the demands of intelligent HEM. These problems include those common to popular 3D printing technologies, those particular to large-scale industrial 3D printing, and others specific to our own technology, i.e., Profile Invalidation Rapid Prototyping (PIRP). Specifically, this project studies the efficient geometric models that adapts to the ‘layered manufacturing’ principle of 3D printing. These models feature major improvements in terms of more accurate representations of layered contour profiles, adaptive incremental layers and interactive local editing. This project also investigate the approaches to efficient content generation, an urgent demand from large-scale industrial 3D printing, by dividing complex multi-genus models into simpler ones, optimizing load structures in the printing space, and minimizing printing paths. Meanwhile, this investigation yields solutions to peeling leftover materials and optimizing paths for our PIRP technology. Finally, this project establishes an inverse compensation mechanism for manufacturing deformations utilizing our patented large-scale 3D equipment. This mechanism makes it possible to better control the deviations between manufacturing outputs and designing models. The studies of this project are expected to lay a foundation for the standardization of 3D-printing geometric models, and also to provide theories and methodologies for the kernel software of 3D printing.

作为高端装备制造与新一代信息技术深度融合的体现，3D打印的研究引起广泛关注。本项目立足高端智能装备制造的需求，针对3D打印技术目前存在的基础共性问题，大型工业级3D打印特定问题，以及自主研发轮廓失效法（PIRP）打印技术面临的特色问题等方面展开系统研究。本项目研究适配于“叠层制造”原理的3D打印几何模型的高效表示，具有分层轮廓精确表示、自适应增量式分层以及3D打印几何模型局部交互编辑等特性；通过分割多亏格复杂大模型、优化装填3D打印成型空间及优化打印路径，实现大型3D打印几何内容的高效生成，并解决轮廓失效法带来的余料剥落和路径优化等特色问题；利用自主研发设备具有全部知识产权的优势，研究3D打印流程中的精度检测与控制关键问题，通过建立反向变形补偿机制，实现制件变形量与尺寸偏差的精细调控。本项目的实施不仅为3D打印几何模型标准化奠定基础，同时为研发自主产权的3D打印内核软件提供理论与方法。

本项目面向高端智能装备制造的需求，针对3D打印技术目前存在的基础共性问题和大型工业级3D打印特定问题展开研究。项目团队在该项目支持下，在工业级3D打印相关问题方面取得了众多成果。具体地：在算法方面，面向制件几何内容的高效生成，提出从3D打印模型优化到3D打印过程优化中各种改进和优化算法，包括：面向3D打印的复杂模型表示和分层方法、适用于3D打印的高质量网格优化方法、面向3D打印的交互式模型分割算法、机器人无支撑FDM打印方法，以及面向3D打印空间优化方法等，上述方法很好地解决了3D打印过程与模型优化问题。在软件方面，开发适用于PIRP1500设备的数据处理软件与设备控制软件。软件支持对百万量级的点云数据进行直接分层，不需进行网格重构，形成了针对所开发的打印设备的完备的软件工具链，为后续相关的研究工作奠定了基础。在硬件方面，建设3D打印研究实验室，包括一台自主研发加工幅面达1500*1200*800mm的大型工业级激光打印机。自主研发多款不同类型3D打印机，包括基于并联机器人的DLP大模型3D打印，基于机器人手臂的大型物体DLP 3D打印，以及基于机器人手臂的大型物体FDM 3D打印。相关成果发表论文100余篇，其中A类10余篇，申请和授权专利20余项，完成自主软件原型平台1套，研发自主3D打印设备及系统3套，建设3D打印平台1个，培养研究生20名。 本项目的实施为3D打印推广提供了算法和技术支撑，同时为研发自主产权的3D打印内核软件提供参考。