CN101382794A - Fdm快速成型机的支撑生成方法 - Google Patents

Abstract

一种FDM快速成型机的支撑快速生成方法，从STL模型分层后的层片文件入手，将层片文件预填充转化为二维填充线段后，对上下层对应线各点进行合并排序并附加状态标志，根据线段中首末两点的状态位直接实现该支撑线段的去除或保留，将多边形区域集合运算转化为1D元素集合运算。此生成方法为快速成型制作形状复杂制件提供准确快速的支撑生成，在很大程度上提高了快速成型加工速度，解决快速成型技术的瓶颈问题。

Description

FDM快速成型机的支撑生成方法

技术领域

本发明涉及一种快速成型机的支撑生成方法，尤其涉及一种FDM快速成型机的支撑生成方法。

背景技术

FDM即熔融堆积成型系统，FDM快速成型机通过计算机控制的加热头把材料加热变软，在CAD分层数据控制下，挤出半流动状态的熔丝材料，并将3D的模型层层堆栈出来。FDM快速成型机每层厚度为0.025～0.762mm，一层叠一层最后形成整个零件模型。

目前快速成型机的支撑自动生成方法包括：BOX型支撑自动生成方法、基于投影区域的支撑自动生成方法、基于层片布尔运算的支撑自动设计方法、基于零件STL格式的支撑自动生成方法等。支撑自动生成方法各有优势，但是没有一种方法既可以提高支撑生成的准确性和快速性，又可以减少支撑运算的复杂程度、节省支撑材料，明显解决快速成型加工的瓶颈技术难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能有效提高FDM快速成型机成型加工速度，并且鲁棒性强，对任何形状复杂的制件都通用的快速准确的支撑生成方法。

本发明是这样来实现的：根据FDM工艺特点，从STL模型分层后的层片文件入手，采用将层片文件预填充转化为二维线段后进行求差、并的几何运算得到支撑线段，在进行上下层面二维线段的求差、并运算时不直接进行各端点坐标浮点数的逻辑判断比较，而是对各点进行合并排序并附加状态标志，然后根据一条线段中首末两点的状态位直接实现该线段的去除或保留，将多边形区域集合运算转化为1D元素集合运算的同时、简化了线段逻辑判断比较运算，大大提高了支撑生成速度；对生成的支撑根据实际加工工艺和材料性质进行隔层交叉和长度缩减，提出根据度数来确定成型零件支撑需要与否的方法。

本发明的优点是：为FDM快速成型机制作形状复杂制件提供准确快速的支撑生成，提高快速成型加工速度，解决快速成型技术的瓶颈问题。

附图说明

图1为本发明各层面采用相同基准填充转化为二维线段示意图。

图2为本发明上下层对应线段通过状态位求差并原理示意图。

图3本发明为通过倾斜度数判断成型零件需要支撑与否的原理示意图。

图4为本发明多余支撑添加示意图。

图5本发明的缩减流程图

具体实施方式

如图3所示，根据材料阀值与分层厚度的关系求得支撑临界角度，若成型零件在该角度范围内则不需要加支撑，否则进行如图1所示支撑生成运算，在STL分层后的层片文件基础上进行预填充转化为二维线段，然后上下层对应线段进行求支撑时按图2所示附加状态标志，按表1所示法则实现支撑线段的去除或保留。两个相互垂直方向分别填充求得支撑线段后交替隔层输出支撑线段，实现隔层交叉填充。对生成后的支撑线段继续进行逐层缩减，节省制作材料。

本实施例层片多边形区域预填充转化为二维填充线段，利用扫描线段预填充层面轮廓时确保：

①各层的对应扫描线应位于同一平行于z向的平面内，上下层应叠合在同一平面上进行同方向填充。由于各个层面轮廓形状不尽相同，用以下方法为各层确定相同的填充基准：先读取所有层片轮廓，找出所有层中最大的Y_max和最小的Y_min(假设统一沿水平方向填充，若竖直方向填充则找出X_max，X_min)，即找出其形状极值而非单个层面极值，以此极值作为扫描线的极限值等间距填充所有层，如图1所示。

②为避免支撑和本体间的不必要接触以便支撑去除，求扫描线和层面轮廓交点时，

式中δ为扫描线间距，N为扫描线总数，y_min，y_max为零件形状极值Y_max、将所有层的原始轮廓向实体区域外偏置一个微小距离，再用得到的新轮廓和扫描线进行求交点运算。

其中，扫描线与轮廓多边形求交点运算为：

设扫描线为：

y＝y_min+δ*i，i＝1，2…N，y_min≤y≤y_max  (1)

Y_min。现要求所有扫描线与多边形的交点，即求出线扫描线的端点坐标，计算扫描线端点就是求出扫描线与轮廓线的交点。依照方程(1)设其中一条扫描线方程为：

y＝c                                   (2)

设轮廓线任意一条边的两个端点为A(x₁，y₁)，B(x₂，y₂)，则该直线的两点式方程为：

$x=\frac{x_2-x_1}{y_2-y_1}(y-y_1)+x_1---\left(3\right)$

将方程(2)代入方程(3)就可求出y＝c时的值，即扫描线与轮廓线的一个交点坐标为 $(\frac{x_2-x_1}{y_2-y_1}(c-y_1)+x_1,c).$

为了提高求交点的效率，在设计交点求取程序时不是依次将每条一条扫描线遍历所有轮廓线求交，而是依次用轮廓线的直线段来遍历所有扫描线，求得扫描线与轮廓线的所有交点。

表1所示扫描线段的差、并运算法则步骤为：

①合并排序。把Li+1和Li中所有的线段顶点合并在一起，并按由左向右的顺序进行排列，排序可以通过冒泡排序算法实现。

②分类。从左到右，每两个相邻的顶点构成了一条线段，把所有线段分为保留和去除。如果一个线段被Li+1或Li的某一线段包含，则标记为1，表示在成形体内；否则标记为0，表示不在成形体内，并按表1实现求差、并运算。

③合并。将第②步的结果中所有具有相同端点的线段合并成同一线段，并去掉多余的点，使最终结果中每两条线段都不相连。

此算法关键问题是如何在第②步中判断合并排序后生成的线段是否包含在Li+1或Li中。本实施例设计了一套标志法根据线段两个端点的状态简单判断线段归属。方法如下：Li+1和Li中的点，在合并之前，两两一组在每个端点附加状态标志。即对于Li+1中的两点，若为左端点，则标志1，右则标志2；对于Li中的两点，若为左端点则标志3，右端点标志4。标志完并按从左自右合并排序后，每个点分别与下一点连线形成一条线段，假设总点数为n，则组成线段n-1条，对此n-1条线段分别判断其相对于Li+1和Li的包含关系。即对于Li+1，若该线段左标志为1或右标志为2，则表示该条线位于Li+1内部即包含，记包含标志1；若左标志为2或右标志为1，则位于其外即不包含，记不包含标志0；对于均不符合上述两种情况的则不易简单判断归属，记标志2。对于Li，若该线段左标志为3或右标志为4，则表示该条线被Li包含，记标志1；若左标志为4或右标志为3，则不包含，记标志0；若均不符合上述两种则标志2。对于出现2的线段不能简单判断归属，若该段为首、末段，则直接判定其不包含即为0；若位置非首尾，则需再次根据该段的前段和后段来判别，若其前段和后段均为1，则其最终判定为1，若其前段和后段均为0，则最终判定为0。这样，即可完成所有线段的判断。由于不需要进行任何浮点数计算和比较，该算法不会出现任何计算误差，非常稳定。

本实施例由扫描线段的差、并运算法则计算出的支撑线进行隔层交叉是采用将各层面再次进行竖直方向填充(假设首先使用的为水平填充)，使用该运算法则求得各层竖直方向的支撑线。在输出各层支撑的过程中：若为奇数层则输出水平支撑线，反之偶数层输出竖直支撑线，这样即可实现隔层交叉填充。

本实施例由扫描线段的差、并运算法则计算支撑线时，还要考虑该线段长度是否大于规定的允差值(具体值应综合考虑成形材料性能、加工温度、环境温度、每层加工时间、加工过程的稳定性、成型质量等因素而确定)以判断该线段是否为必需的支撑。当线段长度小于这个规定的允差值时并不需加支撑也能成型(如图4所示)。假设给定一材料性能阀值c，其中该阀值c与分层厚度h存在如图3所示关系，由图3知α＝arctan(c/h)(其中α为零件的倾斜角度)，可以在特定阀值下通过度数来判断成型零件是否需要加支撑，若需要加支撑即进行逐层的支撑缩减，减少非必要支撑的添加，从而节约支撑材料、减少加工时间。由于各层面是递减式缩减，对于支撑为空的层面不需要缩减，所以要统计支撑不为空的层面数n，具体缩减流程见图5。

             表1 线段求差、并运算法则

Claims (2)

1、一种FDM快速成型机的支撑生成方法，其特征在于将STL分层后的层片文件预填充转化为二维填充线段，对上下层对应线各点进行合并排序并附加状态标志，根据线段中首末两点的状态位直接实现支撑线段的去除或保留，将多边形区域集合运算转化为1D元素集合运算，对生成的支撑进行隔层交叉和长度缩减，并根据度数来确定成型零件是否需要支撑。

2、如权利要求1所述的一种FDM快速成型机的支撑生成方法，其特征在于基于层片布尔运算的支撑设计方法，摒除其缺点、简化其复杂性。

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