CN103777911B - 3d打印中的自适应分层方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种3D打印中的自适应分层方法，包括：根据相应3D打印设备得到最大允许层厚和最小允许层厚；根据最小允许厚度得到需加工实体的SLC文件；读取SLC文件得到实体的每层轮廓信息；保留第一层轮廓，然后设i初始值为2；计算第i层轮廓和保留下来的第一层轮廓之间的相交多边形集；计算面积比率参数和平均距离参数，根据这两个参数和最大允许层厚判断第i层轮廓是否保留；i增加1，如果i的值不大于实体总的分层数目n，则返回步骤5；否则，计算结束，输出实体自适应分层结果。该发明鲁棒性强，适应于各种形状的模型，尤其是对大型的、结构复杂的模型有效果，同时简单，通用性好，更容易嵌入到3D打印设备中，实现商业化。

Description

3D打印中的自适应分层方法

技术领域

本发明属于3D打印技术分层方法领域，尤其涉及一种3D打印中的自适应分层方法。

背景技术

随着3D打印技术的高速发展，其可以为航空航天、机械、生物、医学等领域的发展提供关键的技术支撑。3D打印技术最大优点就是无需机械加工和任何模具，可以大大的缩短产品的研发周期和降低生产成本。而对于3D打印技术，分层是关键技术之一。分层技术涉及到3D打印的加工时间和产品的精度的平衡问题。当产品精度越高时，分层数目就会越大，这样加工时间就会大大增加，而当分层数目减少时，产品的精度又无法保证。那么就需要合适的分层方法可以在保证精度的前提下尽可能的减少分层数目，以提高加工效率。

目前常用分层方法可以分为三种。一种是等层高分层方法，这种方法在现实加工设备上普遍使用，但是其很难保证产品的表面精度，如果想提高零件精度就会大大增大分层数目；一种是针对STL模型的自适应分层方法，这种方法是根据STL模型中面片的法向量等信息进行分层。但是由于STL模型是由三角面片来表示模型的，本身就存在误差，这样精度就很难保证；最后一种是直接针对CAD实体模型进行自适应分层，用精确地三维模型来进行自适应分层，这样来消除STL模型的误差。例如王卫辰等（基于3D CAD模型表面Z向特征曲线的自适应分层方法；王卫辰，朱真才，方亮，邢邦圣，王繁生；《机械科学与技术》；2010年第29卷第5期；607-611页；共5页）提出一种基于模型表面多处兴趣特征的快速自适应分层算法，该算法利用Z向特征曲线提取CAD模型表面的兴趣特征，通过特征曲线几何特征到层厚的直接映射关系快速确定分层点处的适应性层厚，整个层厚计算过程不存在冗余计算。现有的常用的分层误差计算标准有以下几种：一是尖顶高度准则，根据模型的拓扑信息以及所允许的最大尖顶高度计算得到层厚，这种准则普遍使用，但是当模型法向量接近竖直方向时就会失效；二是面积差比率准则，根据相邻两层轮廓的面积差来判断分层高度是否合适，当面积差很大时就减小分层高度，否则增大分层高度，但是这种方法只能处理简单的模型；其他有体积差比率、表面粗糙度、轮廓边界距离等准则。这些分层方法和误差计算准则都有自己的优势和适应范围。

但是没有一种自适应分层方法可以对于所有的模型进行分层，尤其是大型的、结构复杂的模型，这样也导致现有的自适应分层方法也很难通用化，很难实现商业化。

发明内容

本发明的目的在于提出一种3D打印中的自适应分层方法，借助于模型不同轮廓之间的多边形布尔运算达到自适应分层的目的，本发明提供了一种适合于各种3D打印技术的通用自适应分层方法，鲁棒性强，可以对任何形状的模型进行自适应分层，尤其是对大型的、结构复杂的模型也适用。

一种3D打印中的自适应分层方法，包括如下步骤：

步骤1、根据相应3D打印设备得到最大允许层厚和最小允许层厚；

步骤2、根据得到的最小允许厚度，利用切片软件处理需加工实体的三维模型，得到需加工实体的SLC文件；

步骤3、读取得到的SLC文件，得到实体轮廓信息，包括总的分层数目n、每层轮廓的多边形集以及相应的层高，其中：n是大于1的自然数，层高为每层轮廓在Z轴方向的坐标值；

步骤4、保留第一层轮廓作为初始保留下来的最顶层轮廓，然后设i初始值为2；

步骤5、计算第i层轮廓和保留下来的最顶层轮廓之间的相交多边形集；

步骤6、根据相交多边形集以及第i层轮廓的多边形集，计算第i层轮廓与保留下来的最顶层轮廓之间不重合部分的面积比率参数以及两层轮廓边界之间的平均距离参数，根据这两个参数和层厚来判断第i层轮廓是保留还是删除；

步骤7、i增加1，判断i的值是否大于实体总的分层数目n：如果i不大于n，则返回步骤5，进行下一轮计算；否则，计算结束，输出保留下来的轮廓层作为实体自适应分层结果。

步骤1中每个3D打印设备的结构配置等不同，其加工的最大和最大厚度也不同，需要根据具体的设备去获得这两个参数。

步骤2中SLC文件可以通过各种切片软件获得，如MagicRP、Slic3R、Skeinforge等，该文件是用最小层厚等厚分层得到的。

步骤5中，所述的计算第i层轮廓和保留下来的第一层轮廓之间的相交多边形集时采用多边形布尔运算算法。多边形布尔运算算法能够处理带孔洞的多边形以及包含多个多边形的多边形集，布尔运算得到也是多边形集。

步骤6中，计算第i层与保留下来的最顶层轮廓之间不重合部分的面积比率参数以及两层片轮廓边界之间的平均距离参数，根据这两个参数和层高来判断第i层是保留还是删除，包括步骤：

步骤6.1、计算第i层轮廓与保留下来的最顶层轮廓之间不重合部分的面积比率参数，面积比率参数ε_i的表达式为：

式中S_i是第i层轮廓的面积，S_l是保留的最顶层轮廓的面积，S_ins是相交多边形集的面积；

步骤6.2、如果得到的面积比率参数ε_i大于精度所允许的最大距离参数，则保留第i层轮廓，然后进入步骤7；步骤6.3、如果得到的面积比率参数ε_i不大于精度所允许的最大距离参数，计算第i层轮廓边界与保留下来的最顶层轮廓之间的平均距离参数，平均距离参数r_i的表达式为：

式中l_outer是相交多边形集中表示外边界的多边形的周长和；

步骤6.4、如果平均距离参数r_i大于精度所允许的最大距离参数，则保留第i层轮廓，然后进入步骤7；

步骤6.5、如果平均距离参数r_i不大于精度所允许的最大距离参数，计算第i层轮廓与保留下来的最顶层轮廓之间的高度差即第i层轮廓的层厚，并判断该层厚是否大于最大允许层厚：如果大于最大允许层厚，则保留第i层轮廓，然后进入步骤7；如果不大于最大允许层厚，则删除第i层轮廓，然后进入步骤7；

所述的精度所允许的最大比率参数和精度所允许的最大距离参数是根据产品精度要求得到。

与现有技术相比，本发明是3D打印中的自适应分层方法，具体的有益效果是：

本发明通过对用最小允许层厚等厚分层得到的SLC文件进行读取，对两个层片轮廓之间采取多边形的布尔运算去计算各个层片的两个参数值，根据参数值去删除或者保留层片，从而实现自适应分层的目的。该方法鲁棒性强，适应于各种形状的模型，尤其是对大型的、结构复杂的模型有效果，同时简单，易实现，通用性好，更容易嵌入到3D打印设备中，实现商业化。

附图说明

图1为本发明3D打印中的自适应分层方法的流程图；

图2为本发明两层片轮廓边界之间的平均距离参数的示意图；

图3（a）为实施例部分是回用汽车后轮的SLC文件图；

图3（b）和图3（c）为利用本发明3D打印中的自适应分层方法得到分层模型与等厚分层模型对比效果图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

附图1所示为本发明3D打印技术通用自适应分层方法的流程图。以汽车后轮模型为例，来阐明自适应分层方法。

步骤1、获得某3D打印设备（某SLA设备）的最大允许层厚为0.2mm，最小允许层厚为0.05mm；

步骤2、用切片软件MagicRP获得图3（a）所示的汽车后轮的SLC文件，分层厚度为0.05mm，图（b）为得到的后轮的SLC模型；

步骤3、读取后轮SLC文件，得到后轮轮廓信息，包括总的分层数目n=400、每层轮廓的多边形集以及相应的层高，层高为每层轮廓在Z轴方向的坐标值；

步骤4、保留第一层轮廓（第一层轮廓根据实际打印顺序有关，根据不同打印顺序，选择需要打印的第一层作为第一层轮廓）作为初始保留下来的最顶层轮廓，然后设i初始值为2；

步骤5、对第i层轮廓和保留下来的最顶层轮廓之间进行多边形求交布尔运算得到相交多边形集。轮胎每层轮廓包含有带孔洞的多边形以及多个多边形。选择的多边形布尔运算算法能够处理这些情况，得到相交的多边形集。

步骤6、根据相交多边形集以及轮廓多边形，计算第i层轮廓与保留下来的最顶层轮廓之间不重合部分面积比率参数以及两层片轮廓边界之间的平均距离参数，根据这两个参数和层厚来判断第i层是保留还是删除，包含步骤:

步骤6.1、多边形面积S_p的表达式为：

$S_p=\frac{1}{2}[(x_1{y}_2-x_2{y}_1)+(x_2{y}_3-x_3{y}_2)+...+(x_{i-1}{y}_i-x_i{y}_{i-1})...+(x_{m-1}{y}_m-x_m{y}_{m-1})+(x_m{y}_1-x_1{y}_m)]$

式中x_i和y_i表示多边形顶点坐标，m表示多边形顶点数。

根据此式得到每层轮廓的面积S_lay表达式为

$S_{\mathrm{lqy}}=\underset{j=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{\mathrm{pj}}$

上式中，k表示每层轮廓的多边形个数；S_pj为每层轮廓的多边形集中第j个多边形的面积。

那么第i层轮廓与保留下来的最顶层轮廓之间不重合部分的面积比率参数ε_i的表达式为：

上式中S_i是第i层轮廓的面积，S_l是保留的最顶层轮廓的面积，S_ins是相交多边形集的面积。计算得到第i层面积比率参数后，判断是否大于精度所允许的最大比率参数，精度所允许的最大面积比率参数是根据产品精度要求得到的，可根据不同产品精度要求确定。

步骤6.2、如果第i层面积比率参数大于精度所允许的最大比率参数，则保留第i层轮廓，然后进入步骤7；

步骤6.3、如果第i层面积比率参数不大于精度所允许的最大比率参数，则计算第i层轮廓与保留下来的最顶层轮廓边界之间的平均距离参数。

图2为两层轮廓边界A之间的平均距离参数示意图，表示了尖顶高度、层高和平均距离参数之间的关系，根据图2（a）得到，尖顶高度表达式为

$\mathrm{\δ}=h\·\frac{r}{\sqrt{h^2+r^2}}=h\·\frac{1}{\sqrt{{(h/r)}^2+1}}$

上式中，δ是尖顶高度，h是层厚（通过相邻两层轮廓的Z轴方向的坐标值计算得到），r表示轮廓边界之间的距离。那么尖顶高度是关于r的一个升函数，所以用轮廓边界之间的距离参数可以表示尖顶高度。根据图2（b）得到轮廓边界之间的平均距离参数r_i的表达式为：

上式中l_outer是相交多边形集中表示外边界的多边形的周长和。

计算得到平均距离参数后，判断是否大于精度所允许的最大距离参数。精度所允许的最大距离参数是根据产品精度要求得到的，可根据不同产品精度要求确定。

步骤6.4、如果得到的平均距离参数大于精度所允许的最大距离参数，则保留第i层轮廓，然后进入步骤7;

步骤6.5、如果得到的平均距离参数不大于精度所允许的最大距离参数，计算第i层轮廓与保留下来的最顶层轮廓之间的高度差（z轴坐标差），用两个层片的高度值相减即得到层厚。然后判断该层厚是否大于最大允许层厚：如果大于，则保留第i层轮廓，然后进入步骤7；如果不大于，则删除第i层轮廓，然后进入步骤7。

步骤7、i增加1，判断i的值是否大于实体最大分层数n。如果不大于n，则返回步骤5，进行下一轮计算；否则，计算结束，输出保留下来的轮廓层作为后轮自适应分层结果，图3（c）为后轮自适应分层模型，分层数目为232，最大层厚为0.2mm，最小层厚为0.05mm，其即保证了后轮的表面精度，又减少了分层数目，提高加工效率。

Claims (5)

1.一种3D打印中的自适应分层方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、根据相应3D打印设备得到最大允许层厚和最小允许层厚；

步骤2、根据得到的最小允许厚度，利用切片软件处理需加工实体的三维模型，得到需加工实体的SLC文件；

步骤3、读取得到的SLC文件，得到实体轮廓信息，包括总的分层数目n、每层轮廓的多边形集以及相应的层高，其中：n是大于1的自然数，层高为每层轮廓在Z轴方向的坐标值；

步骤4、保留第一层轮廓作为初始保留下来的最顶层轮廓，然后设i初始值为2；i＝1,2,…,n；

步骤5、计算第i层轮廓和保留下来的最顶层轮廓之间的相交多边形集；

步骤6、根据相交多边形集以及第i层轮廓的多边形集，计算第i层轮廓与保留下来的最顶层轮廓之间不重合部分的面积比率参数以及两层轮廓边界之间的平均距离参数，根据这两个参数和层厚来判断第i层轮廓是保留还是删除；

具体方法为：

步骤6.1、计算第i层轮廓与保留下来的最顶层轮廓之间不重合部分的面积比率参数，面积比率参数ε_i的表达式为：

式中S_i是第i层轮廓的面积，S_l是保留的最顶层轮廓的面积，S_ins是相交多边形集的面积；

步骤6.2、如果得到的面积比率参数ε_i大于精度所允许的最大距离参数，则保留第i层轮廓，然后进入步骤7；步骤6.3、如果得到的面积比率参数ε_i不大于精度所允许的最大距离参数，计算第i层轮廓边界与保留下来的最顶层轮廓之间的平均距离参数，平均距离参数r_i的表达式为：

式中l_outer是相交多边形集中表示外边界的多边形的周长和；

步骤6.4、如果平均距离参数r_i大于精度所允许的最大距离参数，则保留第i层轮廓，然后进入步骤7；

步骤6.5、如果平均距离参数r_i不大于精度所允许的最大距离参数，计算第i层轮廓与保留下来的最顶层轮廓之间的高度差即第i层轮廓的层厚，并判断该层厚是否大于最大允许层厚：如果大于最大允许层厚，则保留第i层轮廓，然后进入步骤7；如果不大于最大允许层厚，则删除第i层轮廓，然后进入步骤7；

所述的精度所允许的最大比率参数和精度所允许的最大距离参数是根据产品精度要求得到；

步骤7、i增加1，判断i的值是否大于实体总的分层数目n：如果i不大于n，则返回步骤5，进行下一轮计算；否则，计算结束，输出保留下来的轮廓层作为实体自适应分层结果。

2.根据权利要求1所述的3D打印中的自适应分层方法，其特征在于，所述的切片软件为MagicRP。

3.根据权利要求1所述的3D打印中的自适应分层方法，其特征在于，所述的切片软件为Skeinforge。

4.根据权利要求1所述的3D打印中的自适应分层方法，其特征在于，所述的切片软件为Slic3R。

5.根据权利要求1所述的3D打印中的自适应分层方法，其特征在于，所述的计算第i层轮廓和保留下来的第一层轮廓之间的相交多边形集时采用多边形布尔运算算法。