CN103963303A - 一种3d打印方法及其系统 - Google Patents
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Abstract
一种3D打印方法，包括以下步骤：材料供应装置将材料送至加热喷头，并在所述加热喷头中加热，加热喷头在计算机控制装置的控制下按照预定的刀路移动，针对每一层的轮廓数据，计算其中每一点所处位置处的曲率，取其中最大曲率点作为当前层轮廓的刀路转换位置，即接缝位置，喷挤出热熔丝，每一层产品截面的轮廓完成后，所述工作台下降一定高度，重复所述步骤，逐层堆积直至生成所述产品。本发明实施例还提供了一种3D打印系统。本发明实施例在刀路曲率较大的位置处进行接缝，能够更有效的消除接缝对模型表面的影响，提高打印质量。
Description
技术领域
本发明涉及3D打印技术，尤其是涉及一种3D打印方法及其系统。
背景技术
在3D打印技术领域中，熔融挤出成型(Fused Deposition Modeling，FDM)工艺是一种分层制造技术，在模型的每一层依靠加热喷头融化喷头内部材料，按照一定的刀路移动同时喷挤出热熔丝，通过逐层的材料堆积最终实现模型的制造。
影响打印出来的模型表面效果的因素有很多，其中，在每一层由于刀路转换造成热熔材料的挤出控制不精确，从而导致在刀路起点和终点的地方打印质量变差，如突起或者裂缝。由于每一层都有一个甚至多个这样的位置，并且通常会在垂直方向上相近的位置出现，最终在打印的模型表面形成一条明显的疤痕，即接缝，如图9所示。
为了减弱接缝对打印质量所造成的影响，研究者们提出了很多种刀路转换时的处理方式，包括起点和终点的位置，起点和终点的材料进给速度控制，虽然取得了不同程度的改善效果，但是并没有完全消除。实际应用中，由于打印材料的不同，机械性能的不同以及周围环境的不同都会使得接缝的现象更加严重。
发明内容
本发明实施例提供一种3D打印方法及系统，旨在减弱3D打印中，由于刀路转换造成热熔材料的挤出控制不精确，从而导致在刀路起点和终点的地方打印质量变差，最终在打印的模型表面形成明显接缝的问题。
为此，本发明实施例提供了如下技术方案：
一种3D打印方法，包括：
材料供应装置将材料送至加热喷头，并在所述加热喷头中加热，所述加热喷头在计算机控制装置的控制下按照预定的刀路移动，同时喷挤出热熔丝，涂覆在工作台上，每一层产品截面的轮廓完成后，所述工作台下降一定高度，重复所述步骤，逐层堆积直至生成所述产品；
所述加热喷头在计算机控制装置的控制下按照预定的刀路移动，还包括以下步骤：
Ａ：获取所述每一层产品截面的轮廓数据，其中，所述轮廓数据由点集{Pn}构成，n>＝0；
Ｂ：计算所述轮廓数据中任意一点Pi的曲率Ti，其中，i∈n；
Ｃ：生成与所述点集{Pn}相对应的曲率集合{Tn}；
Ｄ：获取所述曲率集合中最大曲率对应的点max(Tn)，作为当前层轮廓的刀路转换位置。
此外，本发明实施例还提供一种应用上述3D打印方法的3D打印系统，包括：
计算机控制装置、加热喷头、工作台和材料供应装置，其特征在于，所述计算机控制装置，还包括以下部分：
数据获取模块，用于获取所述每一层的轮廓数据，其中，所述轮廓数据由点集{Pn}构成，n>＝0；
曲率计算模块，用于计算所述轮廓数据中任意一点Pi的曲率Ti，其中，i∈n；
曲率生成模块，用于生成与所述点集{Pn}相对应的曲率集合{Tn}；
转换位置获取模块，用于获取所述曲率集合中最大曲率对应的点max(Tn)，作为当前层轮廓的刀路转换位置。
与现有技术相比，本发明的实施例具有如下优点：本发明实施例采用了接缝隐藏算法控制加热喷头的刀路移动，通过获取每一层产品截面的轮廓数据，计算所述轮廓数据中任意一点Pi的曲率Ti，并生成相对应的曲率集合{Tn}，然后获取所述曲率集合中最大曲率对应的点max(Tn)，作为当前层轮廓的刀路转换位置，从而能够更有效的消除接缝对模型表面的影响，提高打印质量。并且，在计算曲率的过程中，取点Pi前后各长为L的区间内出现的所有轮廓点作为获得Ti的数据，通过这种方法有效的避免了突变点的影响，获得的曲率信息与真实结果一致性更高。
附图说明
图1是现有技术中3D打印的方法流程图；
图2是本发明实施例提供的3D打印方法的接缝隐藏算法流程图；
图3本发明实施例提供的利用直线拟合法计算曲率的方法流程图；
图4本发明实施例提供的利用均值点法计算曲率的方法流程图；
图5是现有技术中3D打印系统的结构图；
图6是本发明实施例提供的3D打印系统中计算机控制装置的示意图；
图7是本发明实施例提供的3D打印系统中曲率计算模块的示意图；
图8是本发明实施例提供的3D打印系统中曲率计算模块的另一示意图；
图9是本发明采用现有技术提供的打印接缝示意图；
图10是本发明实施例提供的原始模型图；
图11是本发明实施例提供的曲率标注示意图；
图12是本发明实施例提供的模型水平切割示意图；
图13是本发明实施例提供的模型水平切割面示意图；
图14是本发明实施例提供的采用接缝隐藏方法打印效果图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
图1是现有技术中3D打印的方法流程图。
如图1所示，所述方法包括：
步骤00，材料供应装置将材料送至加热喷头，并在所述加热喷头中加热；
优选的，所述材料可以为热塑性丝状材料，例如可以是丝状工程塑料，由供丝机构送至热熔喷头，并在喷头中加热和熔化成半液态。
步骤01，所述加热喷头在计算机控制装置的控制下按照预定的刀路移动；
优选的，可以是加热喷头在计算机的控制下，根据产品零件的截面轮廓信息，作X-Y平面运动。
步骤02，加热喷头移动的同时，喷挤出热熔丝，涂覆在工作台上；
优选的，可以由根据产品片层数据设定好路径的喷头喷出每一层实物原型，快速冷却后形成一层大约0.127mm厚的薄片轮廓。
步骤03，每一层产品截面的轮廓完成后，所述工作台下降一定高度；
步骤04，判断进度，若产品未完成，重复所述步骤01至03，逐层堆积，直至生成所述产品。
图2是本发明实施例提供的3D打印方法的接缝隐藏算法流程图。
如图2所示，所述方法包括，在执行步骤01时，执行以下步骤：
步骤10，获取所述每一层产品截面的轮廓数据，其中，所述轮廓数据由点集{Pn}构成，n>＝0；
步骤11，计算所述轮廓数据中任意一点Pi的曲率Ti，其中，i∈n；
具体的，曲线的曲率(curvature)是针对曲线上某个点的切线方向角对弧长的转动率，通过微分来定义，表明曲线偏离直线的程度。数学上表明曲线在某一点的弯曲程度的数值。曲率越大，表示曲线的弯曲程度越大。
优选的，如图3所示，可以利用直线拟合法计算曲率，包括以下步骤：
步骤21，获取所述轮廓数据中任意一点Pi后长度为L范围内的点，生成集合{PIA}，以及，获取位于所述轮廓数据中任意一点Pi前长度为L范围内的点，生成集合{PIB}；
步骤22，利用所述集合{PIA}中的点，拟合直线LA，以及，利用所述集合{PIB}中的点，拟合直线LB；
优选的，对所述集合{PIA}和{PIB}中的点，分别采用最小二乘法，拟合所述直线LA和LB。
步骤23，计算所述直线LA和LB的夹角α，即为所述轮廓数据中任意一点Pi的曲率Ti。
优选的，如图4所示，还可以利用均值点法计算曲率，包括以下步骤：
步骤21，获取所述轮廓数据中任意一点Pi后长度为L范围内的点，生成集合{PIA}，以及，获取位于所述轮廓数据中任意一点Pi前长度为L范围内的点，生成集合{PIB}；
步骤32，获取所述集合{PIA}的均值点MA，以及所述集合{PIB}的均值点MB；
具体的，对所述集合{PIA}和集合{PIB}，分别采用k-means algorithm算法，获取所述均值点MA和MB；
其中，k-means algorithm算法是一种得到最广泛使用的基于划分的聚类算法，把n个对象分为k个簇，以使簇内具有较高的相似度。相似度的计算根据一个簇中对象的平均值来进行。它与处理混合正态分布的最大期望算法很相似，因为他们都试图找到数据中自然聚类的中心。
算法首先随机地选择k个对象，每个对象初始地代表了一个簇的平均值或中心。对剩余的每个对象根据其与各个簇中心的距离，将它赋给最近的簇，然后重新计算每个簇的平均值。这个过程不断重复，直到准则函数收敛。
步骤33，计算所述均值点MA、所述轮廓数据中任意一点Pi，以及所述均值点MB所构成的夹角β，即为所述轮廓数据中任意一点Pi的曲率Ti。
步骤12，生成与所述点集{Pn}相对应的曲率集合{Tn}；
步骤13，获取所述曲率集合中最大曲率对应的点max(Tn)，作为当前层轮廓的刀路转换位置；
优选的，获取所述曲率集合中最大曲率对应的点max(Tn)，作为所述刀路的起点和/或终点。
基于相同的构思，本发明实施例还提供一种3D打印系统，如图5所示，所述系统包括：
计算机控制装置、加热喷头、工作台和材料供应装置。
具体的，如图6所示，所述计算机控制装置，还包括以下部分：
所述计算机控制装置，还包括以下部分：
数据获取模块51，用于获取所述每一层的轮廓数据，其中，所述轮廓数据由点集{Pn}构成，n>＝0；
曲率计算模块52，用于计算所述轮廓数据中任意一点Pi的曲率Ti，其中，i∈n；
具体的，如图7所示，所述曲率计算模块52，还包括以下部分：
点集生成单元61，用于获取所述轮廓数据中任意一点Pi后长度为L范围内的点，生成集合{PIA}，以及，获取位于所述轮廓数据中任意一点Pi前长度为L范围内的点，生成集合{PIB}；
直线拟合单元62，用于利用所述集合{PIA}中的点，拟合直线LA，以及，利用所述集合{PIB}中的点，拟合直线LB；
直线夹角生成单元63，用于计算所述直线LA和LB的夹角α。
或者，如图8所示，所述曲率计算模块52，除点集生成单元61外，包括以下部分：
均值点获取单元72，用于获取所述集合{PIA}的均值点MA，以及所述集合{PIB}的均值点MB；
均值点夹角生成单元73，用于计算所述均值点MA、所述轮廓数据中任意一点Pi，以及所述均值点MB所构成的夹角β。
曲率生成模块53，用于生成与所述点集{Pn}相对应的曲率集合{Tn}；
转换位置获取模块54，用于获取所述曲率集合中最大曲率对应的点max(Tn)，作为当前层轮廓的刀路转换位置；
优选的，转换位置获取模块54包括以下单元：
起点和/或终点获取单元，用于获取所述曲率集合中最大曲率对应的点max(Tn)，作为所述刀路的起点和/或终点。
本发明实施例通过计算每一层产品截面的轮廓中任意一点的曲率，将最大曲率对应的点作为当前层轮廓的刀路转换位置，根据人眼视觉特性(HVS)，图像的边缘信息对视觉更重要，特别是边缘的位置信息。人眼容易感觉到边缘的位置变化，而对于边缘的灰度变化，人眼并不敏感。对于三维模型，存在着光滑的表面和曲率较大的边缘细节，如果让接缝发生在光滑的表面，相当于额外增加了边缘，人眼视觉对这样突然出现的边缘非常敏感；而将接缝的位置放在固有的边缘位置处，只相当于改变该处边缘的灰度，人眼视觉并不敏感，因此具有较好的隐蔽效果。如果将打印过程中每一层的刀路看做二维图形，并且在刀路曲率较大的位置处进行接缝，能够更有效的消除接缝对模型表面的影响，提高打印质量。
为了说明本发明实施例的有益效果，以模型squirrel为例，如图10所示。
在geomagic中利用曲率分析工具，标注较大曲率处，得到曲率标注示意图如图11所示。
更进一步，为了获得具体的层片路径信息，对模型进行水平位置的切割，如图12所示，相应的切割面如图13所示。图12中水平直线代表水平切割的位置，图12和图13中字母A,B,C分别代表曲率较大的位置，而字母D则代表一处光滑表面。
根据前文分析，将接缝放在曲率较大位置处，如A,B,C处，表面效果好于放在位置D处。应用本文提出的接缝隐藏方法打印出的模型如图14所示，与图9进行对比可以看出，新方法的接缝被放在模型曲率较大的位置处，表面打印质量有了明显改善。
综上所述，本发明实施例采用了接缝隐藏算法控制加热喷头的刀路移动，通过获取每一层产品截面的轮廓数据，计算所述轮廓数据中任意一点Pi的曲率Ti，并生成相对应的曲率集合{Tn}，然后获取所述曲率集合中最大曲率对应的点max(Tn)，作为当前层轮廓的刀路转换位置，从而能够更有效的消除接缝对模型表面的影响，提高打印质量。并且，在计算曲率的过程中，取点Pi前后各长为L的区间内出现的所有轮廓点作为获得Ti的数据，通过这种方法有效的避免了突变点的影响，获得的曲率信息与真实结果一致性更高。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
Claims (10)
1.一种3D打印方法，包括以下步骤：材料供应装置将材料送至加热喷头，并在所述加热喷头中加热，所述加热喷头在计算机控制装置的控制下按照预定的刀路移动，同时喷挤出热熔丝，涂覆在工作台上，每一层产品截面的轮廓完成后，所述工作台下降一定高度，重复所述步骤，逐层堆积直至生成所述产品，其特征在于，所述加热喷头在计算机控制装置的控制下按照预定的刀路移动，还包括以下步骤：
Ａ：获取所述每一层产品截面的轮廓数据，其中，所述轮廓数据由点集{Pn}构成，n>＝0；
Ｂ：计算所述轮廓数据中任意一点Pi的曲率Ti，其中，i∈n；
Ｃ：生成与所述点集{Pn}相对应的曲率集合{Tn}；
Ｄ：获取所述曲率集合中最大曲率对应的点max(Tn)，作为当前层轮廓的刀路转换位置。
2.根据权利要求1所述的3D打印方法，其特征在于，所述步骤Ｂ中，具体包括以下步骤：
ａ：获取所述轮廓数据中任意一点Pi后长度为L范围内的点，生成集合{PIA}，以及，获取位于所述轮廓数据中任意一点Pi前长度为L范围内的点，生成集合{PIB}；
ｂ：利用所述集合{PIA}中的点，拟合直线LA，以及，利用所述集合{PIB}中的点，拟合直线LB；
ｃ：计算所述直线LA和LB的夹角α，即为所述轮廓数据中任意一点Pi的曲率Ti。
3.根据权利要求1所述的3D打印方法，其特征在于，所述步骤Ｂ中，具体包括以下步骤：
ａ：获取所述轮廓数据中任意一点Pi后长度为L范围内的点，生成集合{PIA}，以及，获取位于所述轮廓数据中任意一点Pi前长度为L范围内的点，生成集合{PIB}；
ｄ：获取所述集合{PIA}的均值点MA，以及所述集合{PIB}的均值点MB；
ｅ：计算所述均值点MA、所述轮廓数据中任意一点Pi，以及所述均值点MB所构成的夹角β，即为所述轮廓数据中任意一点Pi的曲率Ti。
4.根据权利要求2所述的3D打印方法，其特征在于，所述步骤ｂ中，对所述集合{PIA}和{PIB}中的点，分别采用最小二乘法，拟合所述直线LA和LB。
5.根据权利要求3所述的3D打印方法，其特征在于，所述步骤ｄ中，对所述集合{PIA}和集合{PIB}，分别采用k-means algorithm算法，获取所述均值点MA和MB。
6.根据权利要求1所述的3D打印方法，特征在于，所述步骤Ｄ中，具体包括以下步骤：
Ｅ：获取所述曲率集合中最大曲率对应的点max(Tn)，作为所述刀路的起点和/或终点。
7.一种3D打印系统，包括计算机控制装置、加热喷头、工作台和材料供应装置，其特征在于，所述计算机控制装置，还包括以下部分：
数据获取模块，用于获取所述每一层的轮廓数据，其中，所述轮廓数据由点集{Pn}构成，n>＝0；
曲率计算模块，用于计算所述轮廓数据中任意一点Pi的曲率Ti，其中，i∈n；
曲率生成模块，用于生成与所述点集{Pn}相对应的曲率集合{Tn}；
转换位置获取模块，用于获取所述曲率集合中最大曲率对应的点max(Tn)，作为当前层轮廓的刀路转换位置。
8.根据权利要求7所述的3D打印系统，其特征在于，所述曲率计算模块，具体包括以下单元：
点集生成单元，用于获取所述轮廓数据中任意一点Pi后长度为L范围内的点，生成集合{PIA}，以及，获取位于所述轮廓数据中任意一点Pi前长度为L范围内的点，生成集合{PIB}；
直线拟合单元，用于利用所述集合{PIA}中的点，拟合直线LA，以及，利用所述集合{PIB}中的点，拟合直线LB；
直线夹角生成单元，用于计算所述直线LA和LB的夹角α。
9.根据权利要求7所述的3D打印系统，其特征在于，所述曲率计算模块，具体包括以下单元：
点集生成单元，用于获取所述轮廓数据中任意一点Pi后长度为L范围内的点，生成集合{PIA}，以及，获取位于所述轮廓数据中任意一点Pi前长度为L范围内的点，生成集合{PIB}；
均值点获取单元，用于获取所述集合{PIA}的均值点MA，以及所述集合{PIB}的均值点MB；
均值点夹角生成单元，用于计算所述均值点MA、所述轮廓数据中任意一点Pi，以及所述均值点MB所构成的夹角β。
10.根据权利要求7所述的3D打印系统，其特征在于，所述转换位置获取模块，具体包括以下单元：
起点和/或终点获取单元，用于获取所述曲率集合中最大曲率对应的点max(Tn)，作为所述刀路的起点和/或终点。
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