一种提高悬垂体模型成型质量的自适应扫描速度方法

摘要

本发明公开了面向3D打印领域，一种提高悬垂体模型成型质量的自适应扫描速度方法。该方法包括以下步骤：根据STL模型中三角面片的顶点和面片法矢量信息建立其拓扑结构；对STL模型进行分层切片处理，获得封闭的二维多边形轮廓，并判断出每层二维轮廓多边形的可成型悬垂段；根据每层切片数据求出该层二维轮廓的扫描速度；获得所有层的扫描速度后，由切片引擎生成通用的Gcode文件，供3D打印机读取并打印。本发明为了提高悬垂体结构模型的成型质量，基于扫描速度对成型质量的影响分析，提出在模型可成型悬垂区域，不添加支撑结构，通过一种提高悬垂体模型成型质量的自适应扫描速度方法保证模型的稳定成型。不仅改善了打印的效果，还极大的节省了打印材料的消耗。

说明书

技术领域

本发明属于计算机集成制造领域，具体涉及一种提高悬垂体模型成型质量的自适应扫描速度方法。

背景技术

3D打印技术是一项综合型应用技术，涉及到计算机辅助设计、机械控制、工业设计与材料学等多种学科，随着各学科研究的发展与深入，3D打印技术也得到了进一步突破。3D打印属于增材制造，主要以3D数字模型为基础，通过对成型材料逐层累加的方式制造实体，可以在无模具、无工具的条件下打印出几乎任意复杂的零部件。其高柔性实现了产品设计、制作的高度一体化，免去了复杂结构零件制造的开模环节，缩短了新产品的开发周期，避免了人力、财力和物力上的浪费，对推动制造业发展具有重要意义。

FDM是“Fused Deposition Modeling”的英文缩写，是一种熔融沉积型三维打印技术。在当前三维打印技术的应用发展中，FDM三维打印技术已然成为应用较为广泛的一种3D打印技术，其工作原理是：自下向上，分层制造，逐层叠加。丝状固体材料经过高温喷头挤出后呈现液态，在计算机的控制下，喷头按照已设定好的打印路径进行扫描，每一层喷头遍历过的位置都被熔融状态的材料覆盖，该层结束后，纵向的平台系统下降一个层厚的高度，继续扫描覆盖，不断重复扫描完成材料累积过程。

成型质量是FDM成型技术的核心问题。在实际的模型打印过程中，为了确保悬垂区域的打印质量和成型的稳定性，会在悬垂区域底部添加支撑结构，后期再进行去支撑处理。这样不仅增加了材料消耗和成本，还延长了模型的成型时间，并且去支撑处理会对模型的表面质量造成负面影响。3D打印的大部分输入模型都属于悬垂体结构模型，这种模型局部特征明显，主要分为难成型区域和可成型区域。在模型的可成型悬垂区域，可以通过对扫描速度的控制来达到不加支撑也能够较好的成型。实际应用中，若能够通过调节扫描速度来实现不加支撑的打印，对FDM三维打印技术的推广是非常有益的。

发明内容

为了保证悬垂部位的成型质量，基于扫描速度因子对成型质量的影响分析，本发明目的在于提供一种提高悬垂体模型成型质量的自适应扫描速度方法，提出在模型的可成型悬垂区域，通过调节扫描速度来保证其质量，并通过分层切片处理得到一系列二维轮廓多边形，并根据二维轮廓多边形的每个相交线段的数据信息求出各自的扫描速度，以保证整个模型的成型质量。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种提高悬垂体模型成型质量的自适应扫描速度方法，包括以下步骤：

步骤1、根据STL模型中三角面片的顶点和面片法矢量信息建立其拓扑结构；

步骤2、对STL模型进行分层切片处理，获得封闭的二维多边形轮廓层。并根据每层二维轮廓中各线段所属的三角面片的法矢量信息，判断出每层二维轮廓中的可成型悬垂段；

①根据所有层厚值得到模型的切片总层数n和所有的切片平面高度值Z_i(i＝1,2,....,n)，其中分层方向是沿着的Z轴正方向；

②读取一个新的三角面片，求出其在Z坐标上的最小值z_min和最大值z_max，在所有的分层高度z_i中找出与三角面片相交的m个切平面z_j(j＝1,2,…m)；

③取出其中一个新的切平面，利用求交运算，求取该切片平面与三角面片的相交线段并按层存储此线段。根据相交线段的法矢量信息求出cosθ＝N_z，其中θ为单位法矢量与Z轴正方向的夹角。若相交线段的cosθ值属于(0,-1/2],则是可成型悬垂段。

④判断与此三角面片相交的m个切片面是否求交完毕。若求交完毕，则转到下一步；若未求交完毕，转至第③步；

⑤判断是否所有的三角面片都处理完毕，若是，则获得了所有按层存储的相交线段，转至下一步；若不是，则转至第②步；

⑥取出第i层中的所有相交线段，根据三角面片之间的相邻关系，将相交线段按序依次加入到第i层二维多边形(第一次执行时令i＝1)；

⑦判断i是否等于n，若等于，说明获得了所有层的二维轮廓多边形，则算法结束；若不等于，则执行i＝i+1，并转到第⑦步。

步骤3、根据每层的切片数据求出每层二维轮廓的扫描速度；

①第i层二维轮廓中，非可成型悬垂段段采用原始的扫描速度v₀，第j个可成型悬垂段的扫描速度v_{i_j}通过下式求出。

其中，N_xy为单位法矢量在水平方向的分量，N_x为单位法矢量的X分量，N_y单位法矢量的Y分量。

②求出所有的扫描速度后，分别求出扫描速度中的最大值max{v_{i_j}}、最小值min{v_{i_j}}。其中v_max、v_min为熔融沉积成型系统所能承受的扫描速度最大值与最小值。然后将求得的所有扫描速度v_{i_j}线性归一化到成型系统能够承受的范围内。

步骤4、获得所有层的扫描速度后，由切片引擎生成通用的Gcode文件，供3D打印机读取并打印。

为了保证悬垂部位的成型质量，基于扫描速度因子对成型质量的影响分析，提出在模型的可成型悬垂区域，不添加支撑结构，通过调节扫描速度来保证其质量。本发明通过分层切片处理得到一系列二维轮廓多边形，并根据二维轮廓多边形的每个相交线段的数据信息求出各自的扫描速度，以保证整个模型的成型质量和模型的稳定成型，不仅改善了打印的效果，还极大的节省了打印材料的消耗。

附图说明

图1是本发明所涉及的方法总体流程图；

图2(a)是自适应扫描速度的三维模型示意图；

图2(b)是自适应扫描速度的若干切片层示意图；

图2(c)是自适应扫描速度的层二维轮廓示意图；

图3是分层切面与三角面片相交示意图；

图4是相交线段数据结构的示意图；

图5是自适应扫描速度的算法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明，算法流程如图5所示。

一种提高悬垂体模型成型质量的自适应扫描速度方法，如图1至图5所示，包括以下步骤：

步骤A1、根据STL模型中三角面片的顶点和面片法矢量信息建立其拓扑结构；所述的描述拓扑信息的数据结构为：

步骤A2、对STL模型进行分层切片处理，获得封闭的二维多边形轮廓层。每层二维轮廓都是有一系列相交线段组成，根据求出的各线段所属的数据信息，判断出每层二维轮廓多边形中的可成型悬垂段；

步骤A21、根据所有层厚值得到模型的切片总层数n和所有的切片平面高度值Z_i(i＝1,2,....,n)，其中分层方向是沿着的Z轴正方向；

步骤A22、读取一个新的三角面片，求出其在Z坐标上的最小值z_min和最大值z_max，在所有的分层高度z_i中找出与三角面片相交的m个切平面z_j(j＝1,2,…m)；

步骤A23、取出其中一个新的切平面，利用求交运算，求取该切片平面与三角面片的相交线段并按层存储此线段。根据相交线段的法矢量信息求出cosθ＝N_z，其中θ为单位法矢量与Z轴正方向的夹角。若相交线段的cosθ值属于(0,-1/2],则是可成型悬垂段。

步骤A24、判断与此三角面片相交的m个切片面是否求交完毕。若求交完毕，则转到下一步；若未求交完毕，转至A23；

步骤A25、判断是否所有的三角面片都处理完毕，若是，则获得了所有按层存储的相交线段，转至下一步；若不是，则转至A22；

步骤A26、取出第i层中的所有相交线段，根据三角面片之间的相邻关系，将相交线段按序依次加入到第i层二维多边形(第一次执行时令i＝1)；

步骤A27、判断i是否等于n，若等于，说明获得了所有层的二维轮廓多边形，则算法结束；若不等于，则执行i＝i+1，并转到A27。

步骤A3、根据每层二维轮廓多边形的切片数据求出每层二维轮廓的扫描速度，并对所有的扫描速度进行归一化处理，使得扫描速度值在打印系统允许的范围内；进一步包括以下步骤：

步骤A31、第i层二维轮廓中，其他段采用原始的扫描速度v₀，第j个可成型悬垂段的扫描速度v_{i_j}通过下式求出。

步骤A32、求出所有的扫描速度后，分别求出扫描速度中的最大值max{v_{i_j}}、最小值min{v_{i_j}}。其中v_max、v_min为熔融沉积成型系统所能承受的扫描速度最大值与最小值。然后将求得的所有扫描速度v_{i_j}线性归一化到成型系统能够承受的范围内。

步骤A4、获得所有层的扫描速度后，由切片引擎生成通用的Gcode文件，供3D打印机读取并打印。

步骤A3、根据每层的切片数据求出每层二维轮廓的扫描速度；

步骤A4、获得所有层的扫描速度后，由切片引擎生成通用的Gcode文件，供3D打印机读取并打印。

本发明中，步骤A23包括以下内容：

①求交运算

通过分层平面与三角面片的两个交点来表示相交线段，设分层平面高度为h，分层平面与三角面片的交线的两个顶点分别为p(x_p，y_p，z_i),p(x_q，y_q，z_i),z_i为第i层切片的切片高度，于步骤A21中求得。设三角面片的三点坐标分别为p₁(x₁，y₁，z₁)、p₂(x₂，y₂，z₂)、p₃(x₃，y₃，z₃)，如图3所示，则点p、q可以通过以下公式求得。

令则：

x_p＝x₁+K(x₂-x₁)

y_p＝y₁+K(y₂-y₁)

x_q＝x₃+K(x₂-x₃)

y_q＝y₃+K(y₂-y₃)

②求出相交线段后要进行存储，CuraEngine中是按层存储该三角面片所有的相交线段。通过建立相交线段的数据结构以及一个按层存储的数据结构来表达分层切片处理的数据处理过程，相关数据结构如下所示。

参见图4，相交线段数据结构如下：

本发明方法是基于扫描速度对成型质量的影响分析，从优化扫描速度的角度，方便有效的保证了悬垂体结构模型的可成型悬垂部位的成型质量。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。