1、基金项目:国家自然科学基金资助项目(编号:);江苏省大 学 生 创 新 创 业 训 练 计 划 资 助 项 目(编 号:E)作者简介:陈廉杰,男,江南大学在读硕士研究生.通信作者:宁萌(),男,江南大学副教授,博士.E m a i l:q q c o m收稿日期:改回日期:D O I:/j s p j x 文章编号 ()人造肉脂肪组织 D打印轨迹规划算法R e s e a r c ho n t r a j e c t o r yp l a n n i n ga l g o r i t h mo f a r t i f i c i a lm e a t a d i p o s e t i s s
2、 u e Dp r i n t i n g陈廉杰,CHENL i a n j i e,宁萌,N I NG M e n g,陈慧涛,CHEN H u i t a o,张帆,ZHANGF a n,(江南大学机械工程学院,江苏 无锡 ;江苏省食品先进制造装备技术重点实验室,江苏 无锡 )(S c h o o l o fM e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g,J i a n g n a nU n i v e r s i t y,W u x i,J i a n g s u ,C h i n a;J i a n g s uK e yL a b o r a t o
3、r yo fA d v a n c e dF o o dM a n u f a c t u r i n gE q u i p m e n ta n dT e c h n o l o g y,J i a n g n a nU n i v e r s i t y,W u x i,J i a n g s u ,C h i n a)摘要:目的:针对基于植物原料的人造肉脂肪组织部分 D打印成型质量不稳定,打印效率低等问题,研究并改进与食品材料相匹配的智能 D打印轨迹运动算法,减少打印路径中的堆积与拐角.方法:提出一种适配于人造肉脂肪组织原料特点的轨迹规划方法.采用贝叶斯算法将切片后的模型复杂截面层划分为
4、若干简单多边形子分区轮廓,并在此基础上使用一种经改进的近邻法确定各轮廓的最优运动起始点,同时将遗传算法融入蚁群算法应用于求解分区轮廓最优打印路径中,最后采用改进的z i g z a g扫描算法对轮廓内部进行填充.结果:与C u r a和P r u s a的轨迹规划方法相比,研究所建立模型的打印时间与运动路径长度均有所减少.结论:研究所提出的针对人造肉脂肪组织部分 D打印成型的轨迹规划算法具有较高的可行性与有效性.关键词:D打印;人造肉;脂肪组织;轨迹规划A b s t r a c t:O b j e c t i v e:A i m i n ga tt h ep r o b l e m so f
5、u n s t a b l e Dp r i n t i n gq u a l i t ya n d l o wp r i n t i n ge f f i c i e n c yo fa d i p o s et i s s u ep a r to fa r t i f i c i a l m e a tb a s e d o n p l a n tr a w m a t e r i a l s,s t u d i e da n di m p r o v et h ei n t e l l i g e n t Dp r i n t i n gt r a j e c t o r y m o t
6、 i o na l g o r i t h mm a t c h i n gw i t hf o o d m a t e r i a l s,t or e d u c et h ea c c u m u l a t i o na n dc o r n e r si nt h ep r i n t i n gp a t h M e t h o d s:A t r a j e c t o r y p l a n n i n gm e t h o da d a p t e dt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fa r t i f i c i a lm e
7、a ta d i p o s et i s s u er a wm a t e r i a l sw a sp r o p o s e d T h ec o m p l e xs e c t i o nl a y e ro ft h es l i c e d m o d e lw a sd i v i d e di n t os e v e r a ls i m p l ep o l y g o ns u b p a r t i t i o nc o n t o u r su s i n gB a y e s i a na l g o r i t h m,a n da ni m p r o v
8、 e dn e a r e s tn e i g h b o r m e t h o d w a su s e dt o d e t e r m i n et h eo p t i m a lm o t i o ns t a r t i n gp o i n to fe a c hc o n t o u r A tt h es a m et i m e,t h eg e n e t i ca l g o r i t h m w a si n t e g r a t e di n t ot h ea n tc o l o n ya l g o r i t h mw a sa p p l i e
9、dt os o l v et h eo p t i m a lp r i n t i n gp a t ho ft h ep a r t i t i o nc o n t o u r,a n df i n a l l y t h e i n t e r i o r o f t h e c o n t o u rw a s f i l l e dw i t h t h ei m p r o v e dz i g z a gs c a n n i n ga l g o r i t h m R e s u l t s:F o rt h ea r t i f i c i a lm e a t a d
10、i p o s e t i s s u e i n t h i s s t u d y,t h r o u g h e x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o n,c o m p a r i n gt h ee x i s t i n gt r a j e c t o r yp l a n n i n gm e t h o d so fC u r aa n dP r u s a,t h e e s t a b l i s h e dm o d e lw a sp r i n t e do na s i n g l e l a y e rc r o
11、s s s e c t i o n,a n dt h ep r i n t i n g t i m ea n dm o t i o np a t h l e n g t hw e r er e d u c e d,a n d t h e q u a l i t y w a s g o o d C o n c l u s i o n:T h ep r o p o s e dt r a j e c t o r yp l a n n i n ga l g o r i t h mf o r Dp r i n t i n go f a r t i f i c i a lm e a t a d i p o
12、 s e t i s s u eh a sh i g hf e a s i b i l i t ya n de f f e c t i v e n e s s K e y w o r d s:D p r i n t i n g;a r t i f i c i a l m e a t;a d i p o s e t i s s u e;t r a j e c t o r yp l a n n i n g D打印技术目前已被广泛应用于生物、食品、机械和航空航天等工业领域,但其仍面临诸多问题与挑战.近年来,伴随着人造肉发展的浪潮,人造肉 D打印技术被各国大力研究,理论上可通过 D打印制造出各种形态复
13、杂与营养均衡的可满足大部分人群饮食所需的既科学又能产生食欲的肉制品.在人造肉 D打印技术中最常见的打印方法有挤出式与喷墨式两种.研究拟采用基于熔融堆积(F DM)的 D打印技术,将海藻酸钠包裹植物油脂并与琼脂结合所得原料作为人造肉脂肪部分打印原料,其原理如图所示,在喷头内向物料施加压力使其以丝状形态挤出,并在喷口处逐渐降温,以所设置运动轨迹在平台上冷却堆积形成成品.相比于常见聚乳酸(P L A)与丙烯腈丁二烯苯乙烯共聚物(A B S)等材料 D打印技术,国内外关于人造肉F OO D&MA CH I N E R Y第 卷第期 总第 期|年月|图打印原理图F i g u r eP r i n t
14、i n gs c h e m a t i c D打印轨迹规划的研究仍然较少.人造肉原料各项物理性质均与常规固体材料不同,其在喷头内处于熔融态,打印后在平台上由于热传导时间问题原料仍会保持极短暂的不稳定流动状态,若处理不好,最终会影响成品质量.目前对于人造肉 D打印运动轨迹路径大多仍采用常规材料的运动算法,如平行扫描法、星形发散扫描法或分形扫描法 等,在实际打印中将会导致打印物料在 轨 迹 交 互 与 拐 角 处 坍 塌 堆 积 从 而 产 生 大 象 脚现象.针对以上问题,研究提出一种人造肉脂肪组织 D打印成型轨迹优化算法,采用贝叶斯算法库进行模型切片层分区处理,结合遗传算法与蚁群算法并通过扫
15、描最优运动路径角度,同时对传统的z i g z a g路径扫描法进行改进,减少运动路径中的尖角与拐角及打印喷头的间断次数,以此对运动路径进行优化,实现符合 D打印人造肉的打印运动轨迹的合理规划.设计思路与方法概述z i g z a g扫描法因其算法简单以及与硬件适配度高,在人造肉 D打印领域应用较为广泛.D打印对象为基于植物原料的人造肉制品,要求成品纹理能够模拟真实动物肉制品复杂纹理.若采用传统z i g z a g扫描法,作业时对于复杂纹理填充会使得运动路径过渡点与拐角增多且喷头频繁间断,导致打印效率与成品质量严重下降.研究基于贝叶斯算法并结合实际情况,对传统z i g z a g扫描算法进
16、行适配于 D打印人造肉的优化处理,对运动轨迹进行合理有效规划,同时通过试验不断提高整体优化效果.其优化方法如图所示.具体实施步骤:()对所需打印的人造肉进行建模与切片处理,并采用贝叶斯算法库对切片后的模型截面层进行分区处理以得到若干满足简单多边形特性的小型子分区.()采用经改进的近邻法确定各子分区轮廓最优运动起始点.()采用遗传算法和蚁群算法同时充分考虑成品质量与打印效率,对经分区处理得到的模型截面层子分区轮廓的打印轨迹进行合理规划.图轨迹规划流程图F i g u r eF l o wc h a r to f t r a j e c t o r yp l a n n i n g()以z i g z a g扫描法为基础,进一步对截面子分区内部填充轨迹进行优化,减少尖角拐角的数量以此提高模型打印质量.()输出优化处理结果,同时将计算所得优化轨迹输出为G代码用于 D打印并进行验证.轨迹规划算法截面分区处理 D打印人造肉成品要做到仿真效果,首先在视觉上需要模拟真实动物肉制品纹理,因此喷头在对各细小花纹走线时每层截面都会产生数量与大小均不同的岛屿结构,此时传统的z i g z a g扫描算法会使