摘 要

3D打印技术作为一门新兴技术，集现代计算机技术,机械制造科学技术和各种新材料科学技术为综合一体，在工业领域已经得到了广泛普及，在人们的日常生活中也并不少见。目前，3D打印技术主要在临床医疗、汽车制造、航空航天及个人消费品等各领域得以应用。在所有的3D打印技术中，熔融沉积成型技术是目前发展速度最快的。对于这项技术而言，关键则是打印机对三维模型数据的处理。当切片软件将计算机辅助设计(CAD)软件设计的三维模型切片输出Gcode后，用户难以直观判断该Gcode指令是否正确。为了解决这一问题，本文通过对Gcode的分析，将实现Gcode的可视化过程拆分为若干核心算法模块，自主开发了一款处理Gcode文件并将其可视化出来的软件。

首先，简单介绍了3D打印技术的概况和国内外研究现状。并对分析其原理及Gcode指令结构的基础上，将所需实现的功能抽象化，介绍了软件的开发平台、所需事先的功能以及所用到的核心数据结构。其次详细阐述了本软件底层算法的几个核心算法模块，采用面向对象的编程方法实现了Gcode文件的读取与数据的保存，利用vtk图形库将保存的数据依次进行可视化操作。最后，运行软件，对软件运行结果进行展示。

关键词：3D打印，G代码，VTK，可视化

Abstract

As a new technology, 3D printing technology, which integrates computer technology, discipline of mechanical manufacturing and material science, has been widely used in the industrial field and is common in people’s daily life. At present, 3D printing technology is mainly used both in civilian area such as personal consumer goods, and industrial area such as clinical medicine, automobile manufacturing and so on. Obviously, Fused Deposition Modeling (FDM) technology is the most dynamic and fastest-growing rapid prototyping method in 3D printing. For FDM technology, the key is the printer's processing of 3D model data. When slicing software outputs the 3D model sliced by CAD software to gcode, it is difficult for users to directly judge whether or not the gcode is correct. In order to solve this problem, through the analysis of gcode, this paper divides the visualization process of gcode into several core algorithm modules, and develops a software for processing and visualizing gcode files.

First of all, it introduces the domestic and overseas general situation of 3D printing and research situation. And analyze the principle of 3D printing and the structure of gcode files, abstract the function needed to be realized, propose the overall design of the software, and briefly introduced the core data structure used here. Secondly, describe several core algorithm modules of the underlying algorithm here in detail, which are realized by the object-oriented programming method, including reading gcode file and data saving and visualizing in turn by using VTK graphics library. Finally, run the software to show the results.

Key Words: 3D Printing, G-code, VTK, Visualization

目录

摘 要 1

Abstract 2

目录 3

第1章 绪论 1

1.1 3D打印技术概述 1

1.1.1 3D打印的分类及原理 2

1.1.2 3D打印的应用与发展趋势 4

1.2 国内外研究现状 5

1.3 本文的组织结构 6

第2章 软件设计方案选择 7

2.1 开发平台介绍 7

2.2 软件实现的功能及数据结构设计 10

第3章 软件核心算法讲解 13

3.1 文件导入算法 13

3.1.1 Gcode文件导入 13

3.1.2 关键字的正确捕捉 14

3.1.3 数据的计算及保存 15

3.1.4 槽函数及数据传递的设计 16

3.2 渲染场景算法 18

3.3 回调函数设计 20

第4章 软件功能展示与总结 22

4.1 软件功能实现展示 22

4.2 总结与展望 25

4.2.1 总结 25

4.2.2 展望 26

参考文献 27

致 谢 28

绪论

在2008年的《第三次工业革命》一书中，作者美国经济学家杰里米·里夫金提出第三次工业革命已经到来。通过回想人类的科技发展史，我们可以知道当新型的分布式通信共享网络技术与能源共享信息体系技术交汇之际，即是第三次经济大革命发生之时。这主要是因为新能源共享网络技术的出现和发展将极大推动人类文明向着更为复杂的文明方向前进和发展，而更为复杂的文明体系需要以先进的新型分布式通信共享网络技术为主要媒介的方式来对其他能源进行数据处理和信息整合^[1]。现如今，以移动互联网技术为代表的新型分布式通信共享网络技术与先进的可再生能源技术相结合，给现代人类带来了分布式个人能源的共享信息体系网络，人们终于得以充分利用以这种分布式能源共享信息网络技术为依托的3D打印技术，从而实现个人自主制造。由于体积的小型化,成本低廉化,适用广泛化,操作简单和便捷化,软件功能集成化, 3D打印自动化技术将更加好地适应现代工业上人群分布多样化工业生产制造需求以及对家庭的日常应用的需求^[2]。

3D打印技术概述

三维打印(3DP)快速成形 (RP)技术，是一种技术相对于通过使用计算机将大量的文字尤其是图片直接打印到同一个平面的纸张上而言的一种打印技术，其主要基于微喷射原理，从喷嘴喷射出液态微滴，按一定路径逐层打印或者堆积成形的RP技术。对于普通百姓而言，这一概念浅显易懂，更容易为非专业的大众所接受，这也是这项技术得以飞速发展的原因之一。

美国独立咨询公司Wohlers Associates Inc.发布的Wohlers Report 2019收集自32个国家，价值13亿美元的107项早期投资，依据这些公开数据，3D打印行业的整体材料领域在2018年实现了创纪录的增长（原文为record growth）。其中金属材料的收入增长了约41.9%，连续五年实现了超过40%的增长。材料供应商和客户之间的如此强劲的活动表明3D打印在生产应用中的使用越来越多^[3]。