基于Qt的微噴射粘結快速成形系統軟件

李元++葉春生++趙火平

摘 要本文實現了基于Qt平臺的微噴射粘結快速成形系統控制軟件，提出了基于三角形位置信息的分層鄰接查找算法。該切片算法在打印成型過程中無需生成G-code作為加工路徑，而且大大減少了判斷STL文件中三角面片與切層平面位置關系的次數，能夠迅速查找到鄰接三角形而獲得首尾相連的切層輪廓，節省了系統資源，提高了切片效率。最后通過對葉片實體打印實例的分析，驗證了該軟件的可行性和高成型精度。

【關鍵詞】Qt微噴射粘結 控制軟件分層 鄰接查找算法

3D打印技術是采用由面到體的增材制造方式堆疊成型，具有無需模具、幾何形狀復雜度無限制、加工周期短、成型精度高、綜合性能優異等顯著優勢[1]。該技術已成為各國競相優先發展的一種先進制造技術，被譽為第三次工業革命的重要標志之一[2-3]。作為3D打印技術中的一種，微噴射粘結快速成形具有成型設備簡單，運行和維護成本低，可供選擇的成型粉末種類多等優點。微噴射粘結快速成形工藝圖如圖1所示：先將供粉缸里的粉末均勻地在成型缸上鋪上一層，然后打印噴頭根據零件切片后得到的二維截面信息，在粉末上噴射粘結劑，再下降平臺，繼續打印，直至最后一層得到三維實體模型。

微噴射粘結快速成形技術不需要使用激光燒結成型，適合于辦公室或家庭中使用，所以其控制軟件應該具有很好的用戶體驗。而現在很多3D打印控制軟件需要設置的參數太多，操作過于復雜[4]，數據處理效率及內存占用情況不是很理想，智能性不足，成為限制該技術得到廣泛應用的重要影響因素之一。為了克服操作復雜、占用系統資源較多，以及分層切片算法效率不高等問題，本文提出了基于三角形位置信息的分層鄰接查找算法，實現了微噴射粘結快速成形系統控制軟件。該切片算法根據三角面片坐標與切平面的位置關系，在處理完每一切片層上的三角形信息后將其從容器中刪除，避免了重復查找。在每一切片層的交點容器中查找鄰接三角形，從而獲得完整的封閉截面輪廓曲線，大大提高了切片速度。同時，軟件操作簡單，人機界面友好，具有較高的成型效率和成型精度。

1 軟件架構設計

得益于開源軟件，應用于3D打印中的控制軟件及其所支持的操作系統平臺越來越多，使3D打印設備成本大幅降低，但很多開源軟件的設計思路都是基于STL模型分層切片生成G-code加工代碼，這種加工路徑成形方式并不完全適用于微噴射粘結快速成形中。

控制軟件主要由五個模塊組成，如圖2所示。首先利用OpenGL（Open Graphics Library）庫將STL文件中的三角面片顯示在程序圖形窗口中，通過基于三角形位置信息的分層鄰接查找算法對STL模型進行切片處理并運用QWT（QT Widgets for Technical Applications）庫顯示切層平面輪廓曲線，采用奇偶填充規則實現輪廓填充。然后采用Sobel算子提取填充圖形灰度圖的邊緣點坐標，通過反饋噴頭位置信號實時控制噴頭脈沖，實現對模型邊緣部位的打印控制，最后運用QtSerialPort模塊完成通信協議設計，實現與下位機通信，該流程如圖3所示。

2 軟件實現

2.1 主界面

在主界面的菜單欄和工具欄上實現了文件導入、分層填充及邊緣檢測等所有模塊功能，如圖4所示。此外，打印前可以根據成型要求和粉末材料屬性，選定切片層厚及填充顏色，設置打印參數。同時，為了避免發生斷電等故障時需要從第一層重新打印，使用日志文件記錄打印流程，提高了軟件的安全性與實用性。同時軟件代碼基于面向對象程序設計，支持二次開發。

2.2 模型預覽

STL文件是最多快速原型系統所應用的標準文件類型，由三角形網格單元頂點坐標和外法向量構成，離散近似地表現三維CAD模型[5]。OpenGL定義了一個跨編程語言、跨平臺的編程接口規格的專業圖形程序接口，具有很好的可移植性。程序載入STL文件時，將文件中的三角面片及其法向量提取保存，基于OpenGL在圖形窗口中顯示，同時為對模型分層切片做好準備。導入STL文件時處理流程如圖5所示。

2.3 分層切片

為了克服基于拓撲信息的切片算法處理拓撲信息時間長、占用資源較多，以及分組排序算法中分組排序耗時較長等問題[5]，本文提出了基于三角形位置信息的分層鄰接查找算法。對于切層平面高度Zi，首先遍歷保存在容器V1中的STL文件三角形，運用線性插值算法對有交集的三角面片求取交點坐標，同時把兩個交點組成結構體并存儲于容器V2中；然后基于STL中相鄰三角形之間只有一條公共邊的規則，可以迅速、依次地從容器vector中找出兩兩相關的結構體，并通過對有連接關系的結構體的追蹤得到輪廓曲線。此后每次求取高度Zj（j=i+1，..，n）切平面上的輪廓曲線前，先將與Zi平面相交的三角形從容器V1中剔除，減小容器大小，然后重復上述步驟得出每切片層的輪廓曲線，其算法流程如圖6所示。

2.4 填充與邊緣檢測

分層切片后得到二維截面輪廓路徑，Qt中在填充路徑時提供兩種填充規則：Qt：：OddEvenFill和Qt：：WindingFill。Qt：：OddEvenFill采用奇偶填充規則，算法思路是要判斷一個點是否在圖形中，從該點向圖形外引一條水平線，如果該水平線與圖形的交點的個數為奇數，則該點就在圖形中。而Qt：：WindingFill使用非零彎曲規則，就是要判斷一個點是否在圖形中，可以從該點向圖形外引一條水平線，如果水平線與圖形的邊線相交，且這個邊線是順時針繪制的，記為1，否則記為-1，然后將所有數值相加，如果結果不為0，那么該點就在圖形中[6]。本文采用奇偶填充規則對路徑輪廓曲線進行填充。

如果打印噴頭噴射粘接劑的液滴大小始終保持不變，當打印至模型邊緣時，容易造成粉末飛濺而堵塞噴嘴，同時導致邊緣精度降低，影響模型質量。為了改善打印精度，必須實現對模型邊緣的打印控制。這里使用Sobel算子提取填充圖形的邊緣點信息。Sobel算子是一個離散差分算子，用來計算圖像亮度函數的灰度的近似值，在圖像的任何一點使用此算子，將會產生對應的灰度矢量或是其法矢量，然后選取合適的閾值以提取邊緣點。

2.5 串口通信

完成圖形填充及邊緣檢測后，就可以通過通信模塊將圖像數據傳送到打印機實現打印。QtSerialPort模塊是Qt5庫的附加部分，為硬件和虛擬的串口提供統一的接口，該模塊也增加了對Qt4的支持。串口通信由于其簡單及可靠，目前在像嵌入式系統等很多工業中仍然廣泛使用。使用QtSerialPort模塊可以大大縮短開發串口相關的應用軟件的周期。本文基于該類編寫并實現了通信模塊。QtSerialPort模塊的使用比較簡單，在Windows或Linux平臺下添加相應的頭文件和源文件，即可調用QtSerialPort接口函數。

3 實驗驗證

為了使模型具有更好的觀賞性和表現力，分層切片后對切平面輪廓采用多色線性漸變方式填充，打印后得到彩色模型，如圖7所示。實驗選用純氧化鋯粉末和純氧化鈣粉末作為成形粉末原材料，使用醇溶性聚乙烯吡咯烷酮和無水乙醇配置的溶液作為氧化鈣基陶瓷型芯粘結劑體系的預混液，氧化鋯以納米粉末和預混液配置成分散液作為粘結劑通過噴頭噴嘴以噴射方式加入氧化鈣粉末當中。總共打印了5組模型，每組包含4個葉片。葉片設計尺寸為70.0mm×70.0mm×22.0mm，打印烘干后5組葉片實體中與原尺寸差異最大的尺寸為70.8mm×71.1mm×22.2mm，尺寸誤差在要求范圍內，成型精度較好，打印過程中軟件運行也比較流暢。

4 結語

本文主要目的是基于Qt平臺自主開發實現了微噴射粘結快速成形系統控制軟件，提出了基于三角形位置信息的分層鄰接查找算法。該控制軟件在算法效率及系統消耗、成型效率和成型精度上都具有一定的優勢，為3D打印技術的研究與應用提供了一定的理論和實踐基礎。但軟件還存在待完善的方面，如彩色切片處理等，這些將作為今后繼續研究的方向。

（通訊作者：葉春生）

參考文獻

[1]賀強，程涵，楊曉強.面向3D打印的三維模型處理技術研究綜述[J].制造技術與機床，2016（06）：54-57+61.

[2]劉利剛，徐文鵬，王偉明，楊周旺，劉秀平.3D打印中的幾何計算研究進展[J]. 計算機學報，2015（06）：1243-1267.

[3]Gao W，Zhang Y B，Ramanujan D，et al.The status，challenges，and future of additive manufacturing in engineering [J].Computer-Aided Design，2015，69（08）：65-89.

[4]肖翔，葉春生，趙火平.基于Qt的微噴射粘結成型設備的控制系統設計[J].電子技術與軟件工程，2015（11）：43-45.

[5]王素，劉恒，朱心雄.STL模型的分層鄰接排序快速切片算法[J].計算機輔助設計與圖形學學報，2011（04）：600-606.

[6]霍亞飛.Qt Creator快速入門（第2版）[M].北京航空航天大學出版社，2014.

作者簡介

李元（1989-），男，廣西壯族自治區上林縣人。現為華中科技大學在讀研究生。主要研究方向為軟件技術及應用。

作者單位

華中科技大學材料成形及模具技術重點實驗室 湖北省武漢市 430074