CN104057611A - 一种基于扫描线倾角优化的3d打印填充路径生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于扫描线倾角优化的3D打印技术填充路径生成方法，包括：确定填充路径间距、层厚以及需加工实体的SLC文件；以填充路径间距的作为偏置距离进行偏置得到偏置多边形Ω；根据加工效率和打印精度要求，判断当前打印层所采用的优先原则，若为效率优先，以效率优先方法确定扫描线倾角，若为精度优先，则以精度优先方法确定扫描线倾角；最后根据确定倾角的扫描线与偏置多边形Ω的交点生成内部填充路径。本发明提出基于扫描线倾角优化的3D打印内部填充路径生成方法，生成平行往复填充路径过程中的扫描线倾角进行优化，进一步提升了加工效率和打印精度，该方法具有简单、有效、通用性好的特点。

Description

一种基于扫描线倾角优化的3D打印填充路径生成方法

技术领域

本发明涉及3D打印技术路径生成方法领域，尤其涉及一种基于扫描线倾角优化的3D打印填充路径生成方法。

背景技术

3D打印技术先利用计算机辅助设计软件构建或者通过反向工程获得三维实体模型，再将三维模型通过分层软件生成逐层的截面，以逐层加工的方式获得三维实体。由于打印过程中是用液体态、粉状会或者片状的材料实现截面的逐层加工，任何形状的物品都可以由该技术加工。因此在一些传统加工技术无法完成的领域，3D打印技术发展迅速，如在建筑、航空航天、机械、生物医学等领域均得到较为广泛的应用。虽然3D打印可以缩短产品的研发周期和降低生产成本，但由于一个模型一般会拥有数量很大的层数，而每个层片的填充都需要耗费一定的喷涂填充时间，如何提高打印效率是3D打印的关键技术之一。同时，由于3D打印技术的原理是堆积成型，填充时不可避免地产生过填充或者是欠填充的情况，从而影响了成型精度，如何通过优化填充路径来减少这些过填充\欠填充一直都是难题。

目前常用的3D打印填充路径主要包括两种。一种是平行往复直线路径，这种路径的特点是路径的主体部分由大量等距平行的直线段组成，因此填充效率较高，同时路径生成算法简单可靠，生成路径速度快；问题是由于存在大量的路径连接拐角，拐角处的填充精度较差。另外一种是轮廓平行路径，这种路径由于避免了大量拐角的出现，填充精度较高，并且能够较好地避免成型过程中的成型材料应力集中等问题；但是对于型腔较多的复杂零件，这种路径生成算法就要处理轮廓偏置后出现的自相交、互相交等问题，涉及多边形布尔运算问题，使算法相对复杂，路径生成速度较慢，并且生成的路径轨迹中存在大量的曲线，填充效率低下。目前已有的路径生成方法基本是将以上两种路径相结合，在截面轮廓边缘采用轮廓平行路径，以保证表面成型精度，而对于内部填充，采用平行往复直线路径，以提高填充效率。

但是目前的平行往复直线路径生成过程中都没有考虑扫描线倾角对加工效率和打印精度的影响，从而忽略了对扫描线倾角的优化，这在一定程度上限制了3D打印技术的效率和精度的提升。这样会导致3D打印技术很难满足各领域对高效率高精度的要求。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于扫描线倾角优化的3D打印填充路径生成方法，在考虑了扫描线倾角对加工效率和打印精度影响基础上，对扫描线的倾角进行优化，从而达到提高填充效率和产品质量的目的。

本发明提供了一种适合于各种3D打印技术的通用填充路径生成方法，生成的路径在效率优先的层片上填充效率高、而在精度优先的层片上打印精度高，可以满足不同精度要求模型的路径生成，也可在同一个模型的不同层片上采用不同的优先内容，从而获得优化的填充路径。

一种基于扫描线倾角优化的3D打印填充路径生成方法，包括如下步骤：

步骤1、根据3D打印设备以及打印精度要求确定合适的填充路径间距和层厚，并根据层厚得到需加工实体的SLC文件；

步骤2、以填充路径间距作为偏置距离生成轮廓偏置路径，并将最内层偏置路径进行偏置得到偏置多边形Ω；

步骤3、根据加工效率和打印精度具体要求确定各层的扫描线倾角；

步骤4、根据扫描线倾角以及扫描线与偏置多边形Ω的交点生成内部填充路径。

所述步骤1中每个3D打印设备的结构配置和所用打印材料的成型参数不同，其所允许的填充路径间距和层厚范围也不同，同时精度要求越高，路径间距越小，层厚越薄，因此需要根据具体的设备配置与打印精度要求确定合适的路径间距以及层厚。同时根据层厚利用切片软件获得相应的SLC文件，作为优选，步骤1中，利用MagicRP软件得到需加工实体的SLC文件，其文件特点是用设定层厚进行均分分层得到的。

所述步骤2中对实体切片文件中各层轮廓(包括外轮廓和内轮廓)进行偏置获得偏置路径，偏置距离为填充路径间距，该偏置路径具有填充精度高的特点；同时将轮廓偏置路径以填充间距作为偏置距离进行再一次偏置，获得偏置多边形Ω用于后续路径生成。作为优选，步骤2中，生成轮廓偏置路径的圈数为2-4圈；所述偏置多边形Ω由最内层偏置路径进行一次偏置得到。

对于大多数3D打印模型，在z轴方向上，模型的顶部和底部的打印效果对最终的成型质量影响较大，而中间部分打印成型面的质量对模型表面质量影响不是特别大。因此可以在模型的中部采用效率优先原则确定扫描线倾角，而在打印模型的顶部和底部时采用精度优先原则确定扫描线倾角。

即，作为优选的方案：步骤3中，确定扫描线倾角前需要确定采用的优先原则，具体步骤为：

步骤3.1、根据已确定的层厚以及打印材料强度特性，确定层数阈值C1；

步骤3.2、对需加工实体进行如下判断：

(1)当需加工实体的SLC文件的层数小于等于2C1，则采用精度优先原则确定扫描线倾角；作为进一步优选，所述的层数阈值C1为10-15层。这样既可以保证了底部和顶部的成型精度，也可以提高打印精度。

(2)当需加工实体的SLC文件的层数大于2C1，则：z轴方向上，底层和顶层的C1层采用精度优先原则确定扫描线倾角；剩余层采用效率优先原则确定扫描线倾角。

基于上述优选的技术方案，作为进一步优选，以精度优先原则确定扫描线倾角的具体步骤为：

步骤3.2.1、根据打印设备参数以及打印工艺参数，确定打印喷头的最大加工速度和加速度；

步骤3.2.2、在[0°，180°]范围内均匀选择n个扫描线倾角θ，其中，0°≤θ≤180°，n为大于1的自然数；

步骤3.2.3、对于每一个扫描线倾角θ，生成对应的填充路径，根据最大加工速度和加速度获得相应的速度曲线，从而获得填充时间；

步骤3.2.4、以扫描线倾角θ作为自变量，填充时间作为变量将n组数据进行曲线拟合，从拟合曲线上可确定最优的扫描线倾斜角：即最小填充时间所对应的扫描线倾角。

步骤3.2.3中，根据最大加工速度和加速度获得相应的加工速度曲线时，一般采用S曲线加减速算法获得，可采用现有技术。

同样，作为进一步优选，以效率优先原则确定扫描线倾角的具体步骤为：

步骤3.2.1′、在[0°，180°]范围内均匀选择n个扫描线倾角θ，其中，0°≤θ≤180°，n为大于1的自然数；

步骤3.2.2′、对于每一个扫描线倾角θ生成对应的填充路径，计算对应填充路径中的过填充面积S_g或欠填充面积S_q：

$S_q=S_g=r^2\cot \mathrm{\α}-\frac{\mathrm{\π}-\mathrm{\α}}{2\mathrm{\π}}\mathrm{\π}{r}^2$

其中：r为路径间距的一半；α为对应填充路径的拐角；

步骤3.2.3′、以扫描线倾角θ作为自变量，过填充面积S_g或欠填充面积S_q作为变量，将n组数据进行曲线拟合，从拟合曲线上可确定最优的扫描线倾斜角，即最小过填充面积S_g或欠填充面积S_q所对应的扫描线倾斜角。

上述各技术方案中，作为优选，所述的n为15-30。

进一步地，所述步骤4包括：

4.1、根据步骤3中确定的扫描线倾角进行扫描，根据扫描线与步骤2中获得的偏置多边形Ω获得交点集合；

4.2、根据4.1中获得的交点集合生成m条子路径，m为自然数，若m>1，需要在子路径之间利用过渡路径进行衔接。

本发明提出一种基于扫描线倾角优化的3D打印填充路径生成方法，具体的有益效果是：

在采用平行往复直线路径和轮廓平行路径相结合的基础上，对平行往复直线路径生成过程中的扫描线倾角进行优化，较现有的主观确定倾斜角方法可以充分考虑倾斜角对加工效率和打印精度的影响，能够通过对扫描线倾角的优化来提高以效率优先层片的加工效率，同时也可以提高以精度优先层片的加工精度，可以满足不同加工场合的具体要求。同时也可以在同一个模型的不同部分采用不同的优先内容，从而获得一个模型的优化填充路径。本发明方法对生成平行往复填充路径过程中的扫描线倾角进行优化，进一步提升了加工效率和打印精度，该方法具有简单、有效、通用性好的特点。

附图说明

图1为本发明基于扫描线倾角优化的3D打印填充路径生成方法流程图；

图2为根据效率优先原则确定最优扫描线倾角流程示意图；

图3为根据精度优先原则确定最优扫描线倾角流程示意图；

图4为拐角处过填充/欠填充示意图。

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。

如图1所示，为本发明基于扫描线倾角优化的3D打印填充路径生成方法的流程图，具体实施步骤如下：

步骤101、利用三维软件，得到需要打印的三维实体的三维模型文件，根据采用的3D打印机和所要达到的精度要求确定填充路径间距为0.15mm，切片的层厚为0.2mm；该步骤中，每个3D打印设备的结构配置和所用打印材料的成型参数不同，其所允许的填充路径间距和层厚范围也不同，同时精度要求越高，路径间距越小，层厚越薄，因此需要根据具体的设备配置与打印精度要求确定合适的路径间距以及层厚。

步骤102、利用分层软件根据确定的层高进行切片，获得打印三维实体的SLC文件；该步骤中，分层软件可选用常见的切片软件，例如可采用MagicRP等，SLC文件特点是用设定层厚进行均分分层得到的。

步骤103、设定轮廓偏置路径的圈数为2，根据偏置距离0.15mm生成轮廓偏置填充路径，将最内层偏置路径进行偏置后的得到偏置多边形Ω；

步骤104、判断当前层面将要采用的优先内容(效率或者精度)。

步骤103中，确定扫描线倾角前需要确定采用的优先原则，具体步骤为：

步骤103-1、根据已确定的层厚以及打印材料强度特性，确定层数阈值C1；

步骤103-2、对需加工实体进行如下判断：

(1)当需加工实体的SLC文件的层数小于等于2C1，则采用精度优先原则确定扫描线倾角；

(2)当需加工实体的SLC文件的层数大于2C1，则：z轴方向上，底层和顶层的C1层采用精度优先原则确定扫描线倾角；剩余层采用效率优先原则确定扫描线倾角。

C1一般为10-15；本实施例中，总层数为135层，C1确定为12，那么z轴方向上，顶层12层和底层12层采用精度优先原则，其余层采用效率优先原则。

若采用的是效率优先原则，则采用效率优先方法确定扫描线倾角，具体方法步骤如图2所示：首先将扫描线所允许的倾角范围[0°,180°]均分为n份(此处n取19)，针对每个细分的倾角生成相应的平行往复填充路径(图2(a)为其中一部分)；根据采用的3D打印机的配置参数和工艺参数确定最大加工速度为20mm/s，最大加速度为50mm/s²，利用S曲线加减速算法获得对应的速度曲线和填充时间(图2(b))；利用离散的填充时间值(变量)和扫描线倾角值(自变量)进行曲线拟合，得到扫描线倾角与填充时间的关系图像(图2(c))；根据两者之间的变化关系图像可以确定最优扫描线倾角为63°(图2(d))。打印时间是反映打印效率的最直接参数，而传统方法一般采用以路径总长度作为进行效率优先原则的判断标准，但是在打印过程中，一般并不是匀速进行，比如在拐角处速度相对较慢，所以仅仅从路径长度作为效率准则的精确度不高，特别是对于轮廓结构较为复杂的打印实体，精确度更低。

若采用的是精度优先原则，则采用精度优先方法确定扫描线倾角，具体方法步骤如图3所示：首先将扫描线所允许的倾角范围[0°,180°]均分为n份(此处n取19)，针对每个细分的倾角生成相应的平行往复填充路径(图3(a)为其中一部分)；对每个平行往复填充路径获得的过填充/欠填充面积进行统计，每个拐角α对应的过填充/欠填充示意图如图4所示(图4(b)为图4(a)中A部分的局部放大图)，其面积为：

$S_q=S_g=r^2\cot \mathrm{\α}-\frac{\mathrm{\π}-\mathrm{\α}}{2\mathrm{\π}}\mathrm{\π}{r}^2$

其中：r为路径间距的一半；α为对应填充路径的拐角、S_q为欠填充面积，S_g为过填充的面积。

从而获得离散扫描倾斜角对应的过填充/欠填充面积(图3(b))；利用离散的过填充/欠填充面积值(变量)和扫描线倾角(自变量)进行曲线拟合，得到扫描线倾角与过填充/欠填充面积的关系图像(图3(c))；根据两者之间的关系图像可以确定最优扫描线倾角为108°(图3(d))。

步骤105、根据确定倾角的扫描线与偏置多边形Ω的交点生成内部填充路径。具体步骤为：

(1)根据步骤104中确定倾角的扫描线与步骤103中获得的偏置多边形Ω获得交点集合；

(2)根据步骤(1)中获得的交点集合生成m条子路径，若m>1，需要在子路径之间利用过渡路径进行衔接。

Claims (9)

1.一种基于扫描线倾角优化的3D打印填充路径生成方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、根据3D打印设备以及打印精度要求确定合适的填充路径间距和层厚，并根据层厚得到需加工实体的SLC文件；

步骤2、以填充路径间距作为偏置距离生成轮廓偏置路径，并将最内层偏置路径进行偏置得到偏置多边形Ω；

步骤3、根据加工效率和打印精度具体要求确定各层的扫描线倾角；

步骤4、根据扫描线倾角以及扫描线与偏置多边形Ω的交点生成内部填充路径。

2.根据权利要求1所述的基于扫描线倾角优化的3D打印填充路径生成方法，其特征在于，步骤1中，利用MagicRP软件得到需加工实体的SLC文件。

3.根据权利要求1所述的基于扫描线倾角优化的3D打印填充路径生成方法，其特征在于，步骤2中，生成轮廓偏置路径的圈数为2-4圈；所述偏置多边形Ω由最内层偏置路径进行一次偏置得到。

4.根据权利要求1所述的基于扫描线倾角优化的3D打印填充路径生成方法，其特征在于，步骤3中，确定扫描线倾角前需要确定采用的优先原则，具体步骤为：

步骤3.1、根据已确定的层厚以及打印材料强度特性，确定层数阈值C1；

步骤3.2、对需加工实体进行如下判断：

(1)当需加工实体的SLC文件的层数小于等于2C1，则采用精度优先原则确定扫描线倾角；

(2)当需加工实体的SLC文件的层数大于2C1，则：z轴方向上，底层和顶层的C1层采用精度优先原则确定扫描线倾角；剩余层采用效率优先原则确定扫描线倾角。

5.根据权利要求4所述的基于扫描线倾角优化的3D打印填充路径生成方法，其特征在于，所述的层数阈值C1为10-15层。

6.根据权利要求4所述的基于扫描线倾角优化的3D打印填充路径生成方法，其特征在于，以精度优先原则确定扫描线倾角的具体步骤为：

步骤3.2.1、根据打印设备参数以及打印工艺参数，确定打印喷头的最大加工速度和加速度；

步骤3.2.2、在[0°，180°]范围内均匀选择n个扫描线倾角θ，其中，0°≤θ≤180°，n为大于1的自然数；

步骤3.2.3、对于每一个扫描线倾角θ，生成对应的填充路径，根据最大加工速度和加速度获得相应的速度曲线，从而获得填充时间；

步骤3.2.4、以扫描线倾角θ作为自变量，填充时间作为变量，将n组数据进行曲线拟合，从拟合曲线上可确定最优的扫描线倾斜角：即最小填充时间所对应的扫描线倾角。

7.根据权利要求4所述的基于扫描线倾角优化的3D打印填充路径生成方法，其特征在于，以效率优先原则确定扫描线倾角的具体步骤为：

步骤3.2.1′、在[0°，180°]范围内均匀选择n个扫描线倾角θ，其中，0°≤θ≤180°，n为大于1的自然数；

步骤3.2.2′、对于每一个扫描线倾角θ生成对应的填充路径，计算对应填充路径中的过填充面积S_g或欠填充面积S_q：

$S_q=S_g=r^2\cot \mathrm{\α}-\frac{\mathrm{\π}-\mathrm{\α}}{2\mathrm{\π}}\mathrm{\π}{r}^2$

其中：r为路径间距的一半；α为对应填充路径的拐角；

步骤3.2.3′、以扫描线倾角θ作为自变量，过填充面积S_g或欠填充面积S_q作为变量，将n组数据进行曲线拟合，从拟合曲线上可确定最优的扫描线倾斜角，即最小过填充面积S_g或欠填充面积S_q所对应的扫描线倾斜角。

8.根据权利要求6或7所述的基于扫描线倾角优化的3D打印填充路径生成方法，其特征在于，n为15-30。

9.根据权利要求1所述的基于扫描线倾角优化的3D打印填充路径生成方法，其特征在于，所述步骤4包括：

4.1、根据步骤3中确定的扫描线倾角进行扫描，根据扫描线与步骤2中获得的偏置多边形Ω获得交点集合；

4.2、根据4.1中获得的交点集合生成m条子路径，m为自然数，若m>1，需要在子路径之间利用过渡路径进行衔接。