3d打印技術(shù)論文文檔形式
3d打印技術(shù)論文文檔形式
3D打印，是快速成型技術(shù)的一種，它是一種以三維設(shè)計軟件數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，運用液體、粉末等可粘合材料，通過逐層累加的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。學(xué)習(xí)啦小編整理了3d打印技術(shù)論文文檔形式，有興趣的親可以來閱讀一下!
3d打印技術(shù)論文文檔形式篇一
3D打印在建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用
【摘要】本文介紹了3D打印建筑結(jié)構(gòu)的一般過程，采用馬爾可夫方法對圖像去噪、分割和輪廓提取，利用馬爾可夫隨機場進行3D結(jié)構(gòu)的重建，并通過遺傳算法完善建筑結(jié)構(gòu)，同時分析了以上過程的優(yōu)點和不足。
【關(guān)鍵詞】3D打印;馬爾可夫隨機場;建筑結(jié)構(gòu)
0 引言
3D打印，是快速成型技術(shù)的一種，它是一種以三維設(shè)計軟件數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，運用液體、粉末等可粘合材料，通過逐層累加的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)[1]。以具有周期短、成本低、操作簡單、精準度高為特點的3D打印技術(shù)的發(fā)展與逐漸成熟，是第三次工業(yè)革命的重要標志之一[2]。
本文結(jié)合3D打印技術(shù)的主要特點，介紹在建筑結(jié)構(gòu)中應(yīng)用3D打印技術(shù)的方法，同時提出以照片建模方式來簡化3D建模過程，以改善傳統(tǒng)手動建模時間長、難度大的不足，并通過機器學(xué)習(xí)及遺傳算法給出合理的建筑結(jié)構(gòu)，盡可能的減少不合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計。
1 圖像處理
3D打印所需的數(shù)據(jù)通常是通過CAD等三維軟件制作生成，往往制作周期長、難度大，本文提出通過照片的方式建模。
1.1圖像去噪
與日常3D打印物體相比，建筑結(jié)構(gòu)的打印實體通常比較大，且圖像質(zhì)量無法保證，因此需對圖像進行去噪處理。本文采用馬爾可夫去噪方法[3]：
1.將圖片轉(zhuǎn)換為灰度，便于簡化計算;
2.假設(shè)本圖片是理想圖片沒有噪點，而且有噪點的圖片噪點數(shù)量比較少，那么理想圖片和噪點圖片對應(yīng)像素間必然相關(guān);
3.我們同樣可以假設(shè)在一個小范圍內(nèi)，每個像素同其周圍的像素間也必然存在聯(lián)系;
4.可以將他們之間的聯(lián)系用能量表示：
公式1-1
這里可以改變相鄰像素的位置，以期達到更好的效果
公式1-2
式中的m、n分別表示距離像素xi的距離。
1.2 圖像分割和輪廓提取
圖像分割可以看作是將有相似密度的像素群進行分類的過程，同樣可以采用馬爾可夫方法[4]：
1.將圖像劃分為n個區(qū)域，使得同一區(qū)域的像素同其他區(qū)域像素相對獨立;
2.計算每個像素在這些區(qū)域的能量;
3.計算每個像素對應(yīng)區(qū)域：
公式1-3
其中如果考慮相鄰像素的影響，可以將加入公式中
公式1-4
公式中是對應(yīng)相鄰像素能量的變化閥值。
4.降溫并設(shè)置對應(yīng)閥值。
2 結(jié)構(gòu)建模
對于以上得到的輪廓信息，還不足以直接生成3D模型，因為該信息是在二維平面的，缺少深度信息。對于深度信息的恢復(fù)，常見的方法有從明暗恢復(fù)形狀，從紋理恢復(fù)形狀，從陰影恢復(fù)形狀，利用多光源信息等。由于對于建筑結(jié)構(gòu)，很多信息是已知的，所以可以直接從已知的知識中重建形狀。
2.1 3D重建
對于簡單的結(jié)構(gòu)，比如立方體、圓柱體，可以根據(jù)立體幾何知識加以重建;對于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，可以采用馬爾可夫隨機場確定相應(yīng)結(jié)構(gòu)[5]。
1.參數(shù)化每個超像素點的位置和方向信息;
2.發(fā)掘圖像特征和深度信息;
3.發(fā)掘連接結(jié)構(gòu)、共面結(jié)構(gòu)和共線結(jié)構(gòu);
4.采用機器學(xué)習(xí)技術(shù)，利用以上知識恢復(fù)重建3D結(jié)構(gòu)。
實際操作中，對于不準確的恢復(fù)可采用貝塞爾曲線加以修復(fù)：
公式2-1
2.2 建筑構(gòu)造
對于建筑構(gòu)造，可以采用遺傳算法，給出合理的建筑結(jié)構(gòu)，盡可能的減少不合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計。以平屋面建筑構(gòu)造為例[6]：
1.初始化種群：立墻、女兒墻、變形縫、雨水口、煙囪、屋面檢修孔、屋面出入口、檐溝、挑檐等構(gòu)造;
2.適應(yīng)度計算：對構(gòu)造個體在不同位置及大小進行適應(yīng)度計算;
3.選擇運算：選擇不同個體進行遺傳操作;
4.交叉運算：以某一概率相互交換某兩個個體之間的部分染色體;
5.變異運算：對個體的某一個或某一些基因值按某一較小的概率進行改變;
6.重復(fù)以上過程，直到得到可接受的結(jié)果。
3 探 討
圖像處理部分，圖像去噪本文采用了馬爾可夫去噪方法，針對不同圖像不同噪點強度，相鄰像素的選擇也不完全相同;圖像分割和輪廓提取，也同樣需要控制閥值和冷卻溫度來確保準確度;結(jié)構(gòu)建模部分，機器學(xué)習(xí)實例的數(shù)量以及圖像與訓(xùn)練實例的相似度，對3D重建的準確度影響很大;同時，遺傳算法中個體適應(yīng)度及變異運算也需要針對不同構(gòu)造加以修正。
由于機器學(xué)習(xí)技術(shù)的興起，也可以考慮將機器學(xué)習(xí)算法(比如卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))應(yīng)用于建模部分。比如訓(xùn)練二維圖像和3D結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，預(yù)測已知圖像的3D結(jié)構(gòu)。但這種方式目前訓(xùn)練樣本往往很大，訓(xùn)練速度慢，機器要求高。但其準確性和智能性卻是其他算法無法比擬的。
因此，在實際建模過程中，每個環(huán)節(jié)都需要人工干預(yù)，對錯誤和不足及時進行修正;同時，這種建模方式的精度自然要低于純手動建模的方式，但效率要比純手動建模高很多。
4 結(jié) 語
本文介紹了3d打印在建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，給出了一般的建模過程，并針對每個步驟給出了解決方案，同時也分析了照片建模的不足。相信隨著3D打印技術(shù)的進步，必將推動建筑相關(guān)行業(yè)的發(fā)展與成熟。
[1] Huaiyu Wu. 3D printing： 3D creation via intelligent digitization. Beijing： Publishing House of Electronics Industry， 2014 (in Chinese) 吳懷宇. 3D打?。喝S智能數(shù)字化創(chuàng)造. 北京： 電子工業(yè)出版社， 2014
[2]The Third Industrial Revolution;The Digitisation of Manufacturing Will Transform the Way Goods are Made and Change the Politics of Jobs Too[J/OL].The Economist，2012.
[3]Z.Ghahramani.An introduction to Hidden Markov Models and Bayesian networks.International Journal of Pattern Recognition and Artificial Intelligence，15：：9-42，2001.
3d打印技術(shù)論文文檔形式篇二
3D打印技術(shù)在工業(yè)設(shè)計專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用
摘要：3D打印技術(shù)是一種新型的快速成型技術(shù)，能夠?qū)⑽矬w利用逐層打印這一方式立體地展示出來，這一技術(shù)的發(fā)展也為工業(yè)設(shè)計等專業(yè)的教育工作的展開提供了新的途徑與思路，3D打印技術(shù)能夠?qū)⒊橄蟮脑O(shè)計思路形象地展示出來，讓學(xué)生看到三維的實體模型，從而提高其思維能力與實踐能力。文中將對3D打印在高校教學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀進行簡述，然后分析3D打印技術(shù)在工業(yè)設(shè)計專業(yè)教學(xué)中應(yīng)用的意義與作用，最后提出推動其廣泛應(yīng)用的有效途徑。
關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù);工業(yè)設(shè)計專業(yè);教學(xué)應(yīng)用
中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324(2016)15-0225-02
3D打印技術(shù)的產(chǎn)生與應(yīng)用有利于促進相關(guān)專業(yè)與行業(yè)的進一步發(fā)展，高等院校的工業(yè)設(shè)計專業(yè)意在培養(yǎng)具有高素質(zhì)、高專業(yè)技能的工業(yè)設(shè)計人才，而3D打印技術(shù)在教學(xué)中的引入對人才的培養(yǎng)有著極大的推動作用，高校在教學(xué)中應(yīng)當對該技術(shù)的應(yīng)用予以重視，努力提高教學(xué)水平，使學(xué)生的能力與素質(zhì)能夠得到有效的提升，為我國工業(yè)設(shè)計行業(yè)提供不竭的人才支持。
一、3D打印在高等院校教學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀
3D打印的優(yōu)勢在于快速成型以及增材制造，3D打印設(shè)備能夠以三維數(shù)據(jù)圖為依據(jù)將圖紙上的設(shè)計制作成為實物，立體地展示出來。高校是工業(yè)設(shè)計人才培養(yǎng)的重要場所，為了提高教學(xué)效率，使人才的能力與素質(zhì)能夠滿足市場的需求，很多高校都開始引進3D打印設(shè)備，并將其應(yīng)用到實際的教學(xué)活動中。
我國的3D打印技術(shù)尚處于初級階段，技術(shù)、設(shè)備的研究仍不成熟，3D打印在高校教學(xué)中的引入，一方面是為了促進教學(xué)工作的展開，另一方面也是為了加快3D打印技術(shù)的研究。華中科技大學(xué)、清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等高校都有專門進行3D打印技術(shù)研究的機構(gòu)，且其水平較高。很多高校還與企業(yè)合作，將自己的研發(fā)成果供與企業(yè)生產(chǎn)。機械制造、航空航天、產(chǎn)品研發(fā)等領(lǐng)域都可應(yīng)用到該技術(shù)，因此，相關(guān)的工業(yè)設(shè)計專業(yè)應(yīng)當在教學(xué)中引入3D打印設(shè)備，以開拓學(xué)生的視野，提高學(xué)生的實踐能力，增強學(xué)生就業(yè)競爭力。但是在教學(xué)應(yīng)用的過程中也暴露出了一定的問題，首先，3D打印具有一定的局限性，例如其模型規(guī)模最大僅能達到1.8米，如果在課堂上需要生產(chǎn)設(shè)計一些大型的交通工具模型，僅憑3D打印技術(shù)是無法完成的;其次，由于我國在相關(guān)方面的研究仍然處于初級階段，因此技術(shù)成本、設(shè)備成本均相對較高，高校的經(jīng)濟收入有限，這種情況使高校難以大范圍地將3D打印技術(shù)與設(shè)備投入到教學(xué)實踐中;再次，3D打印可應(yīng)用的領(lǐng)域較多，由于不同領(lǐng)域的需求不同，因此3D打印設(shè)備也存在類型、型號等方面的差異，而高校一般引進的技術(shù)設(shè)備都較為單一，這種情況對教學(xué)效果有一定的影響。
二、3D打印應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計專業(yè)教學(xué)的意義
1.提高學(xué)生的基礎(chǔ)理論素質(zhì)。工業(yè)設(shè)計專業(yè)具有較強的綜合性，其涵蓋的范圍廣，技術(shù)難度大，學(xué)科交叉明顯，而3D打印技術(shù)兼具材料科學(xué)、控制技術(shù)、機械技術(shù)、光學(xué)工程、計算機技術(shù)等內(nèi)容于一體，在教學(xué)中應(yīng)用這一技術(shù)能夠加深學(xué)生對專業(yè)知識的感知與了解，學(xué)習(xí)3D打印技術(shù)能夠拓展學(xué)生視野，擴充學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。社會的發(fā)展離不開人才的支持，具有實踐能力固然重要，但是學(xué)生同樣應(yīng)當具備與自身能力相匹配的理論素質(zhì)。學(xué)生只有同時具備軟件操作能力以及設(shè)計知識才能夠熟練地對設(shè)備進行操作，因此將3D打印技術(shù)的相關(guān)知識納入到工業(yè)設(shè)計專業(yè)的學(xué)科體系建設(shè)中是十分必要且重要的，對這一技術(shù)的學(xué)習(xí)能夠提升學(xué)生的理論素質(zhì)，提高學(xué)生的綜合能力。增加學(xué)生的知識儲備是3D打印技術(shù)在教學(xué)中應(yīng)用的基本出發(fā)點。
2.提高學(xué)生的實踐操作能力。在傳統(tǒng)的工業(yè)設(shè)計專業(yè)教學(xué)中，理論講述是重點，關(guān)于模型設(shè)計的內(nèi)容大多通過單純的講解或者二維圖像展現(xiàn)給學(xué)生，在實踐操作課程中，教師僅能夠指導(dǎo)學(xué)生制作簡單的模型，而對于內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的模型，學(xué)生僅能通過自己的想象進行理解，這種教學(xué)方法禁錮了學(xué)生的思維，不利于學(xué)生創(chuàng)造思維與設(shè)計能力的提升。而3D打印技術(shù)可根據(jù)圖紙以及相關(guān)數(shù)據(jù)將實物模型展示出來，保證一次成型，不會受到模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題的影響。在教學(xué)過程中學(xué)生可以充分發(fā)揮想象，設(shè)計產(chǎn)品，并利用3D打印機將自己的想法變?yōu)楝F(xiàn)實，這種教學(xué)方式能夠拓展學(xué)生的思維，提高學(xué)生的創(chuàng)造力與想象力。學(xué)生在專業(yè)課程的學(xué)習(xí)中能夠親身實踐，自主設(shè)計產(chǎn)品方案，在利用3D打印技術(shù)進行試驗的過程中，學(xué)生能夠發(fā)現(xiàn)設(shè)計方案中的不足并有針對性地對方案進行改進，直到設(shè)計完全符合要求與標準，這種反復(fù)修改的過程能夠提高學(xué)生在實踐設(shè)計中的科學(xué)性與嚴謹性。
3.推動產(chǎn)學(xué)研模式的發(fā)展。工業(yè)設(shè)計專業(yè)的教學(xué)安排應(yīng)當以當前市場的需求為依據(jù)，高校應(yīng)當關(guān)注相關(guān)行業(yè)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展動向，很多高校都開始逐漸意識到校企合作的重要性，并與周圍的企業(yè)展開了密切的合作，即努力建立產(chǎn)學(xué)研模式，促進人才、高校、企業(yè)的全面發(fā)展。3D打印技術(shù)的應(yīng)用為產(chǎn)學(xué)研一體化教學(xué)模式的展開提供的有利的條件，這一技術(shù)在未來工業(yè)制造發(fā)展中起著重要的引領(lǐng)作用，無論是企業(yè)還是高校都應(yīng)當認識到這一發(fā)展趨勢，但是當前3D打印設(shè)備的成本較高，企業(yè)若想將其用于生產(chǎn)，資金投入將達到幾十萬，甚至是幾百萬，這對企業(yè)來說是不利的，而當前很多高校不僅有豐富的人才資源，同時還具有先進的3D打印設(shè)備，二者的結(jié)合將促進產(chǎn)學(xué)研模式的深入完善。學(xué)生可以利用3D打印機將自己的設(shè)計想法展示出來，企業(yè)擇取最優(yōu)方案投入生產(chǎn)實踐?？偟膩碚f，3D打印技術(shù)在高校的應(yīng)用能夠促進高校、人才與企業(yè)的共同發(fā)展，提高產(chǎn)學(xué)研的水平。
三、推動3D打印廣泛用于工業(yè)設(shè)計專業(yè)教學(xué)的途徑
1.將手工制作與3D打印結(jié)合起來。3D打印雖然具有成型迅速等優(yōu)勢，但是在實際的教學(xué)過程中，課堂所需的實物模型有大有小，而學(xué)校引進的打印設(shè)備較為單一，僅能滿足對某一個尺寸或某幾個尺寸的需求，過大的模型是無法通過3D打印展示出來的，因此在課堂教學(xué)中還應(yīng)當對手工制作模型予以足夠的重視，在手工制作中，學(xué)生能夠切實體會模型制作的問題與不足，而3D模型則能夠?qū)?fù)雜結(jié)構(gòu)予以展示，兩種模型制作方法的綜合運用能夠使學(xué)生的動手能力與思維能力得到全面的提升。 2.應(yīng)用于教具開發(fā)。3D打印技術(shù)十分適合應(yīng)用在自主研發(fā)和小規(guī)模生產(chǎn)環(huán)節(jié)。在高職院校工業(yè)設(shè)計教學(xué)中，很多課程在授課過程中都需要使用實物教具，以加深學(xué)生對知識的理解。但是，大多數(shù)教具都需要根據(jù)教學(xué)內(nèi)容加以定制，很難在市場中采購到。例如，《設(shè)計概論》課程中需要設(shè)計史上著名的設(shè)計作品的實物教具;《機械制圖》課程中需要通過實物模型向?qū)W生講解形體的三視圖;《產(chǎn)品設(shè)計》課程中需要把學(xué)生設(shè)計作品轉(zhuǎn)化成實體模型;《計算機輔助設(shè)計》課程中需要通過教具模型讓學(xué)生理解三維建模軟件的形面構(gòu)建。這些教具都可以通過3D打印技術(shù)實現(xiàn)自主設(shè)計和小規(guī)模生產(chǎn)，這樣教具與學(xué)生所學(xué)知識就可以實現(xiàn)無縫對接。同時，教具還可以根據(jù)授課內(nèi)容的更新，實現(xiàn)自主設(shè)計和更新。通過3D打印技術(shù)將書上或紙上的知識或圖片立體地展示給學(xué)生，學(xué)生對知識點的理解會更加直觀，教學(xué)效果也會得到極大提升。
3.加深校企合作的深度與廣度。3D打印設(shè)備成本與打印材料的成本均較高，因此即使學(xué)校購買了相關(guān)設(shè)備，受到打印材料的限制，也無法將其廣泛投入到教學(xué)實踐中。而在企業(yè)的生產(chǎn)實踐中如果在設(shè)備引進中投入大量資金，將造成自身競爭優(yōu)勢的損失，因此高校與企業(yè)應(yīng)當加大合作的深度與廣度，實現(xiàn)優(yōu)勢互補，高校為企業(yè)提供人才與設(shè)備支持，企業(yè)則為高校提供資金補助，并為學(xué)生的實踐提供空間與平臺，企業(yè)與高校共同開發(fā)相關(guān)項目，提高3D打印技術(shù)研發(fā)的效率。
4.建設(shè)區(qū)域性的3D打印服務(wù)平臺。為使企業(yè)與高校都能夠加深對3D打印技術(shù)的理解，促進產(chǎn)學(xué)研模式的深入應(yīng)用，政府應(yīng)當參與到區(qū)域性的3D打印服務(wù)平臺的建設(shè)中，積極引導(dǎo)高校與企業(yè)參與到相關(guān)研究中，政府應(yīng)當對高校予以適當?shù)难a貼，鼓勵高校引進不同類型的設(shè)備，建設(shè)區(qū)域化的服務(wù)體系，對3D打印研發(fā)進行專業(yè)化的運營，實現(xiàn)區(qū)域資源的共享，讓更多的高校與企業(yè)有機會接觸到3D打印技術(shù)。
四、結(jié)語
3D打印技術(shù)對未來機械制造業(yè)的發(fā)展有著重要的意義，高校在教育改革與建設(shè)中應(yīng)當認識到這一發(fā)展趨勢，在安排工業(yè)設(shè)計專業(yè)的課程時應(yīng)當將3D打印相關(guān)的內(nèi)容納入其中，從而提高學(xué)生的理論素質(zhì)與實踐能力，促進產(chǎn)學(xué)研模式的進一步發(fā)展，高校應(yīng)當與企業(yè)展開深入合作，促進工業(yè)制造業(yè)、高校與人才的共同發(fā)展。
參考文獻：
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