三维超材料微纳加工中自适应切片新方法的研究
本文关键词: 超材料 双光子聚合 AMF模型 阶梯效应 自适应切片 出处:《长春工业大学》2016年硕士论文 论文类型:学位论文
【摘要】:超材料(Metamaterial)是一种由三维微纳结构构成的人工复合材料,具有天然材料所不具备的超常物理性质,可以实现某些奇异功能或者在相同的功能上会表现的更加优越。超材料具有广阔的应用前景,在微电子、微光子、航天航空等领域受到了广泛的关注。为了使三维超材料在这些领域取得成功应用,关键在于高效精密且低成本地实现三维超材料的制造。基于飞秒激光双光子聚合(Two Photon Polymerization,简称TPP)的加工方法被认为是最有效、最有发展前途的工艺方法之一。这种加工方法利用了增材制造(Additive Manufacturing,简称AM)技术原理,其核心思想是“切片——叠加”。本文主要从三维超材料微纳加工过程中数据模型的特征、优势分析及其可视化和切片处理三个方面进行详细的研究,主要包括以下内容:(1)为了保证三维超材料的几何表达精度以及获得合适的数据存储量,本文在一种新的接口文件格式——增材制造文件格式(Additive Manufacturing File Format,简称AMF)的数据模型框架下来实现对三维超材料结构的表达。详细的分析研究AMF文件的数据结构、几何原则以及AMF模型的曲面、曲边三角形网格;并通过对比高脚杯模型的AMF文件和STL文件的存储量大小,分析AMF文件的数据存储量优势。(2)利用三维图形库OpenGL的图形渲染处理能力和交互式场景处理能力,在Visual C++6.0环境下采用MFC的方式进行编程,完成了AMF文件数据的读取、存储以及AMF模型的变换、绘制及显示等处理,从而实现基于飞秒激光双光子聚合的三维超材料微纳加工过程中AMF模型的可视化,并对高脚杯的AMF数据模型进行显示。(3)提出基于三角形网格坐标信息排序的自适应切片算法:为了便于判断三角形网格与切平面的位置关系,根据三角形网格的z轴坐标信息对其进行排序;分析三角形网格和切平面的位置关系,并进行交点坐标的计算;分析切片处理过程中的原理性误差——阶梯效应及其正、负偏差,从而提出获得统一正偏差的截交平面选择原则以及自适应切片处理过程中切片厚度的变化原则,并利用三角形网格的法向量与切平面夹角的变化,建立确定自适应切片厚度的数学模型;将切片算法应用于实例,通过分析高脚杯AMF模型的切片处理结果,对切片算法进行验证,分析该算法的可行性。
[Abstract]:Metamaterial is a kind of artificial composite composed of three-dimensional micro-nano structure, which has supernormal physical properties which are not possessed by natural materials. Can achieve some strange functions or in the same function will be more superior. Metamaterials have a broad application prospects in microelectronics and photons. Aerospace and other fields have received extensive attention. In order to make three-dimensional metamaterials successful in these fields. The key is to manufacture 3D metamaterials with high efficiency, precision and low cost. Two Photon Polymerization based on femtosecond laser two-photon polymerization. TPP) is considered to be one of the most effective and promising processing methods, which make use of adding material to manufacture Additive Manufacturing. The core idea of AM-based technology is "section-superposition". This paper focuses on the characteristics of the data model in the process of micro-nano machining of three-dimensional metamaterials. The advantage analysis, visualization and slice processing are studied in detail, including the following contents: 1) in order to ensure the geometric representation accuracy of 3D metamaterials and to obtain the appropriate data storage. This paper presents a new interface file format, Additive Manufacturing File Format. The data structure of AMF file, geometric principle, curved surface of AMF model and curved triangular mesh are analyzed and studied in detail. And by comparing the size of the AMF file and the STL file of the goblet model. Analyze the advantage of data storage of AMF file. 2) utilize the graphics rendering ability and interactive scene processing ability of 3D graphics library OpenGL. In the environment of Visual C 6.0, the way of MFC is used to program, the data of AMF file is read, stored, and the AMF model is transformed, drawn and displayed. Thus, the visualization of AMF model in micro-nano machining process of three-dimensional supermaterial based on femtosecond laser two-photon polymerization is realized. And the AMF data model of goblet is displayed. 3) an adaptive slicing algorithm based on coordinate information sorting of triangle mesh is proposed: in order to judge the position relationship between triangle mesh and tangent plane easily. According to the z axis coordinate information of triangular mesh, it is sorted. The position relation between triangular mesh and tangent plane is analyzed, and the coordinate of intersection point is calculated. The principle error-step effect and its positive and negative deviations in slice processing are analyzed. The principle of selecting the intersection plane with uniform positive deviation and the changing principle of slice thickness in the process of adaptive slice processing are proposed, and the change of the angle between the normal vector of triangular mesh and the tangent plane is used. A mathematical model for determining the thickness of adaptive slice is established. The slicing algorithm is applied to an example. The slicing algorithm is verified by analyzing the slice processing results of the AMF model of the goblet, and the feasibility of the algorithm is analyzed.
【学位授予单位】:长春工业大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TB33
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,本文编号:1488319
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