CN104401006B - 三打印头的3d打印机的打印区域控制方法、打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种三打印头的3D打印机的打印区域控制方法、打印方法，包括：获取工件的截面的形状；确定两个打印头之间的最小间距为δ；从所述截面中的一个起始点0*为起始点引出3N条引出线以将所述截面等分为3N个面积相同的子区域，N为正整数，且所述3N条引出线中相邻的两条引出线之间的夹角相同；以所述起始点0*作为圆点、为半径生成圆形的中间冲突区域；在每一所述引出线的两侧分别生成带状的中间冲突区域，且每一带状的中间冲突区域的宽度不小于且所述带状的中间冲突区域之间形成非冲突子区域。

Description

三打印头的3D打印机的打印区域控制方法、打印方法

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，特别是指一种三打印头3D打印机打印区域控制方法、打印方法。

背景技术

3D打印是新型的成型技术，其中填料堆积型打印技术是最常用的3D打印技术。现有技术中的3D打印机的结构一般都分为上下两层，上层为打印头及XY传动结构，下层为载物平台。其中上层的XY传动结构包括能够在X轴和Y轴所形成的平面能够进行移动的打印头，且下层设有载物平台。现有技术中的3D打印机的载物平台可以沿Z轴方向上升或下降，从而按层打印3D工件。

在打印时，填料堆积型打印技术是利用加热的打印头融合填料，通过控制打印头将熔融状的填料堆叠在指定位置，从而将3D模型转化成实体的3D工件。这种成型方式最大的优点是：填料成本低、浪费少、打印机结构简单易于维修；但是缺点也很明显：打印速度慢。以Makerbot的打印机为例，打印一个5厘米见方的完全填充方块需要的时间大约是二十分钟，打印体积更大或者结构更复杂的工件常常需要几个小时。现有技术中有一种3D打印机采用三打印头结构，即采用两个固定在一起的打印头来进行3D打印，且这两个打印头分别加载不同性质的填充料，例如一个打印头填充主料+支撑料而另一打印头填充主色+装饰色，以实现在模型的不同位置堆积不同的材料。由于这两个打印头是固定在一起的，因此其X轴和Y轴坐标几乎完全相同，且在任何时刻都只有一个打印头在工作，因此其对打印效率的改进极其有限。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种三打印头的3D打印机的打印区域控 制方法、打印方法，能够通过两个打印头同时协同工作打印工件的截面以提高打印速度。

为了达到上述目的，本发明实施例提出了一种三打印头的3D打印机的打印区域控制方法，包括：

获取工件的截面的形状；确定两个打印头之间的最小间距为δ；

从所述截面中的一个起始点0*为起始点引出3N条引出线以将所述截面等分为3N个面积相同的子区域，N为正整数，且所述3N条引出线中相邻的两条引出线之间的夹角相同；以所述起始点0*作为圆点、为半径生成圆形的中间冲突区域；在每一所述引出线的两侧分别生成带状的中间冲突区域，且每一带状的中间冲突区域的宽度不小于且所述带状的中间冲突区域之间形成非冲突子区域。

其中，所述方法中从所述起始点0*引出三条引出线，且所述三条引出线之间的夹角为120°。

其中，所述起始点0*通过以下方法确定：

生成一条斜率为并能将所述截面的左、右面积分为比1∶2的直线l₃；生成一条斜率为且能将所述截面的左、右面积分为比2∶1的直线l₄；所述直线l₃和直线l₄与截面右侧的交点分别为T₂和T₁；

生成两条相互平行的直线l₁和直线l₂，且所述直线l₁和直线l₂能够将所述界界面等分为三个面积相等的子区域；且所述直线l₁和直线l₂与截面左侧的交点分别为L₁和L₂；

如图6所示的，确定交点L₁与T₂之间的第一曲线，所述第一曲线上的每个点都满足以下条件：这些点各自作为圆心生成的圆心角为120°的朝向相同的第一扇形，能够将所述截面分割为左右两部分，且扇形内的部分和扇形外的部分的面积比为2∶1；

如图7所示的，确定交点L₂与T₁之间的第二曲线，所述第二曲线上的每个 点都满足以下条件：这些点各自作为圆心生成的圆心角为120°的朝向相同的第二扇形，能够将所述截面分割为左右两部分，且扇形内的部分和扇形外的部分的面积比为2∶1；且该所述第一扇形与第二扇形的一条边重合，另一条边朝向相反方向延伸；

确定所述第一曲线与第二曲线的交点作为起始点0*；且所述第一扇形与第二扇形的边分别为所述的三条引出线。

其中，所述起始点0*通过以下方法确定：

在所述截面的外周上任一点开始生成一条贯穿所述截面的第一曲线，所述第一曲线上的每个点都满足以下条件：这些点各自作为圆心生成的圆心角为120°的朝向相同的第一扇形，能够将所述截面分割为左右两部分，且扇形内的部分和扇形外的部分的面积比为2∶1；

在所述截面的外周上的另外任一点生成一条贯穿所述界面的第二曲线，所述第二曲线上的每个点都满足以下条件：这些点各自作为圆心生成的圆心角为120°的朝向相同的第二扇形，能够将所述截面分割为左右两部分，且扇形内的部分和扇形外的部分的面积比为2∶1；且该所述第一扇形与第二扇形的一条边重合，另一条边朝向相反方向延伸；

确定所述第一曲线与第二曲线的交点作为起始点0*；且所述第一扇形与第二扇形的边分别为所述的三条引出线。

其中，所述起始点0*通过以下方法确定：采用穷举法确定所述起始点0*。

其中，所述方法还包括：

沿所述圆形的中间冲突区域生成外切的正多边形以作为多边形的中间冲突区域，所述正多边形具有2×3×N条边，且所述正多边形对应的顶点分为位于所述引出线上；沿所述正多边形的其他顶点引出沿所述引出线两侧延伸的平行线以形成带状的中间冲突区域。

同时，本发明实施例还提出了一种三打印头的3D打印机的打印方法，包括：

利用如前任一种方法确定中间冲突区域和非冲突子区域；其中所述中间冲突区域包括多边形的中间冲突区域和带状的中间冲突区域，或包括圆形的中间冲突区域和带状的中间冲突区域、非冲突子区域

利用三个打印头分别打印相互成120°的非冲突子区域或带状中间冲突区域，打印完毕后使所述打印头朝向同一方向移动后打印相邻的区域；利用一个打印头打印圆形的中间冲突区域或多边形的中间冲突区域。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

上述技术方案提出了一种三打印头的3D打印机的打印区域控制方法、打印方法，能够防止在打印时打印头发生冲突，并能够采用两个打印头同时进行打印以提高打印效率。

附图说明

图1具有三个打印头的3D打印机的三个打印头的运动轨迹平面以及底部的载物平面的结构示意图；

图2为三个打印头之间的位置示意图；

图3为两个打印头之间的最小间距δ的结构示意图；

图4为划分中间冲突区域和四个非冲突子区域的示意图；

具体实施方式

图5为另一划分中间冲突区域和四个非冲突子区域的示意图；

图6为针对图5所示的情况确定交点L₁与T₂之间的第一曲线的示意图；

图7为针对图5所示的情况确定交点L₂与T₁之间的第二曲线的示意图；

图8为形成六个带状的中间冲突区域和三个非冲突子区域的示意图。

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实例进行详细描述。

现有技术中3D打印机的打印头的运动轨迹是一个平面，因此如果想要设置多个相互独立的打印头就必须使这些打印头相互之间的运动轨迹平面是不重叠的，例如图1所示的即为3个打印头的3D打印机。且必须使这些个打印头的远端在一个平面上，这样才可以由多个打印头同时打印工件的一个打印面(也就是工件的一个横截面)，即如图2所示的。而采用两个打印头的3D打印机的原理是一样的，也会出现在工作过程中打印头发生冲突的问题。

因此，本发明实施例是将打印区域划分为数个无冲突的区域，然后利用多 个打印头分别进行打印，以防止打印头之间发生冲突。而简单的将打印区域切割为L个子打印区域后，在打印时很容易发生两个打印头同时打印相邻的两个子打印区域的问题，这样就会发生在相邻两个子打印区域的接缝处发生打印头冲突。同时由于3D打印机所打印的工件的形状不可能完全相同，因此现有技术中无法做到利用预先设置好的方法自动生成无冲突的打印区域并控制打印机的多个打印头协同一起打印。而如果分割打印区域的方法过于粗糙，则会造成对打印效率的提升幅度不大，这也是对昂贵的硬件资源的一种浪费。

针对这种情况，本发明实施例提出了一种三打印头3D打印机打印区域控制方法、打印方法，无需预先考虑打印工件的形状就可以根据打印头数量自动分割成多个子打印区域，并控制多个打印头自动无冲突打印工件，并且能够了使得多个打印头能够尽量均匀的分配工作以提高打印效率。

本发明实施例为此提出了一种三打印头的3D打印机的打印区域控制方法，包括：

获取工件的截面的形状；确定两个打印头之间的最小间距为δ；

从所述截面中的一个起始点0*为起始点引出3N条引出线以将所述截面等分为3N个面积相同的子区域，且所述3N条引出线中相邻的两条引出线之间的夹角相同；以所述起始点0*作为圆点、为半径生成圆形的中间冲突区域；在每一所述引出线的两侧分别生成带状的中间冲突区域，且每一带状的中间冲突区域的宽度不小于且所述带状的中间冲突区域之间形成非冲突子区域。

当然，下面对本申请进行进一步说明的实施例中都是将截面划分为了三个非冲突子区域。实际使用时还可以划分为3N个非冲突子区域，N＝1，2，3......，这种技术方案依然在本申请的保护范围之内。同时分割这些非冲突子区域的方法很明显是通用的，只是用来划分时所采用的扇形的个数和圆心角不同而已，在此不再赘述。

具体的，确定起始点0*和引出线是将截面三等分的一个非常关键的技术。本发明实施例给出了三种方案来确定起始点0*。当然，本领域内技术人员可以根据自己对本申请的技术方能的理解来确定相应的方法，而这些方法也应在本发明的保护范围之内。

具体的，第一种方法是三种方法中效率最高的一种方法，其包括：

生成一条斜率为(倾斜角度为-60°)且将工件截面左、右面积分为比1∶2的直线l₃；生成一条斜率为(倾斜角度为60°)且将工件截面左、右面积分为比2∶1的直线l₄；所述直线l₃和直线l₄与截面右侧的交点分别为T₂和T₁；

生成两条相互平行的直线l₁和直线l₂，且所述直线l₁和直线l₂能够将所述界界面等分为三个面积相等的子区域；且所述直线l₁和直线l₂与截面左侧的交点分别为L₁和L₂；

如图6所示的，确定交点L₁与T₂之间的第一曲线，所述曲线上的每个点都满足以下条件：这些点各自作为圆心生成的圆心角为120°的朝向相同的第一扇形，能够将所述截面分割为左右两部分，且扇形内的部分和扇形外的部分的面积比为2∶1；

如图7所示的，确定交点L₂与T₁之间的第二曲线，所述曲线上的每个点都满足以下条件：这些点各自作为圆心生成的圆心角为120°的朝向相同的第二扇形，能够将所述截面分割为左右两部分，且扇形内的部分和扇形外的部分的面积比为2∶1；且该所述第二扇形与第二扇形的一条边重合，另一条边朝向相反方向延伸；

确定所述第一曲线与第二曲线的交点作为起始点0*。

第二种方法包括：采用穷举法确定所述起始点0*。这种方法效率最低。

上述方法中生成的是一个圆形的中间冲突区域，这样导致沿着该引出线生成的带状的中间冲突区域与圆形的中间冲突区域接缝处是一条弧线，这就导致带状的中间冲突区域是个不规则图形，在打印时会是打印头移动路径增加。因此所述方法还包括：沿所述圆形的中间冲突区域生成外切的正多边形以作为多边形的中间冲突区域，所述正多边形具有2×3×N条边，且所述正多边形对应的顶点分为位于所述引出线上；沿所述正多边形的其他顶点引出沿所述引出 线两侧延伸的平行线以形成带状的中间冲突区域。

具体的，可以如图8所示的，包括：

如图8所示的，在采用任意方法确定了起始点0*和三条引出线后，在起始点0*外做一个外接正六边形，该正六边形具有六个顶角A1-A6；其中三个成120°的顶角A1、A3、A5分别位于三条引出线上。然后将正六边形的六个边分别沿三条引出线做延伸线以延伸到截面的边沿，从而使这六条延伸线形成六个带状的中间冲突区域T₁₁，T₃₁，T₃₅，T₂₅，T₂₃，T₁₃以及三个非冲突子区域T₁，T₂，T₃。当然这种标识方式只是为了便于识别，其中T₁₃和T₂₃也可以认为是一个带状的中间冲突区域。

为了最大化打印效率，可以先打印相对成120°角的三个带状的中间冲突区域；任何一个打印头打印完成后立即移动去打与该完成的带状的中间冲突区域相邻的非冲突区域，不必等待三个打印头都完成了带状的中间冲突区域才移动。

而当三个打印头都完成了该带状的中间冲突区域后，并非继续完成非冲突区域，而是越过该非冲突区域而继续移动去打印未打印的带状的中间冲突区域。同样的，在任何一个打印头打印完成后立即反向移动继续去打其对应的非冲突区域。这样可以最大化打印效率。

以图8所示的为例，上述方法具体为：

步骤1、可以由打印头1打印T₁₁，打印头2打印，打印头3打印T₃₅。如果打印头1先完成打印则继续打印T₁，如果打印头2先完成打印则继续打印T₂，如果打印头3先完成打印则继续打印T₃。当T₁₁、T₂₃、T₃₅均被完成，立即进入步骤2。

步骤2、此时由打印头1打印T₁₃，打印头2打印T₂₅，打印头3打印T₃₁。如果打印头1先完成打印则继续打印T₁，如果打印头2先完成打印则继续打印T₂，如果打印头3先完成打印则继续打印T₃。当T₁₃、T₂₅、T₃₁均被完成，立即进入步骤3；

步骤3、打印头1继续打印T₁，打印头2继续打印T₂，打印头3继续打印T₃，直至完成。

进一步的，由于工件的截面形状各式各样，因此本发明实施例还包括以下步骤：

生成一条斜率为(倾斜角度为-60°)且将工件截面左、右面积分为比1∶2的直线l₃；生成一条斜率为(倾斜角度为60°)且将工件截面左、右面积分为比2∶1的直线l₄；判断直线l₃和直线l₄的交点0是否位于工件的截面内，如果是则采用前述的方式继续确定起始点0*；如果否，则直接以直线l₃和直线l₄来作为引出线。由于直线l₃和直线l₄已经将截面三等分了，因此只需在直线l₃和直线l₄两侧分别生成带状的中间冲突区域即可。

以上所述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，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种三打印头的3D打印机的打印区域控制方法，其特征在于，包括：

获取工件的截面的形状；确定两个打印头之间的最小间距为δ；

从所述截面中的一个起始点0*为起始点引出3N条引出线以将所述截面等分为3N个面积相同的子区域，N为正整数，且所述3N条引出线中相邻的两条引出线之间的夹角相同；以所述起始点0*作为圆点、为半径生成圆形的中间冲突区域；在每一所述引出线的两侧分别生成带状的中间冲突区域，且每一带状的中间冲突区域的宽度不小于且所述带状的中间冲突区域之间形成非冲突子区域。

2.根据权利要求1所述的三打印头的3D打印机的打印区域控制方法，其特征在于，其中所述方法中从所述起始点0*引出三条引出线，且所述三条引出线之间的夹角为120°。

3.根据权利要求2所述的三打印头的3D打印机的打印区域控制方法，其特征在于，所述起始点0*通过以下方法确定：

生成一条斜率为并能将所述截面的左、右面积分为比1∶2的直线l₃；生成一条斜率为且能将所述截面的左、右面积分为比2∶1的直线l₄；所述直线l₃和直线l₄与截面右侧的交点分别为T₂和T₁；

生成两条相互平行的直线l₁和直线l₂，且所述直线l₁和直线l₂能够将所述截面等分为三个面积相等的子区域；且所述直线l₁和直线l₂与截面左侧的交点分别为L₁和L₂；

确定交点L₁与T₂之间的第一曲线，所述第一曲线上的每个点都满足以下条件：这些点各自作为圆心生成的圆心角为120°的朝向相同的第一扇形，能够将所述截面分割为左右两部分，且扇形内的部分和扇形外的部分的面积比为2∶1；

确定交点L₂与T₁之间的第二曲线，所述第二曲线上的每个点都满足以下条件：这些点各自作为圆心生成的圆心角为120°的朝向相同的第二扇形，能够将所述截面分割为左右两部分，且扇形内的部分和扇形外的部分的面积比为2∶1；且该所述第一扇形与第二扇形的一条边重合，另一条边朝向相反方向延伸；

确定所述第一曲线与第二曲线的交点作为起始点0*；且所述第一扇形与第二扇形的边分别为所述的三条引出线。

4.根据权利要求2所述的三打印头的3D打印机的打印区域控制方法，其特征在于，所述起始点0*通过以下方法确定：

在所述截面的外周上任一点开始生成一条贯穿所述截面的第一曲线，所述第一曲线上的每个点都满足以下条件：这些点各自作为圆心生成的圆心角为120°的朝向相同的第一扇形，能够将所述截面分割为左右两部分，且扇形内的部分和扇形外的部分的面积比为2∶1；

在所述截面的外周上的另外任一点生成一条贯穿所述截面的第二曲线，所述第二曲线上的每个点都满足以下条件：这些点各自作为圆心生成的圆心角为120°的朝向相同的第二扇形，能够将所述截面分割为左右两部分，且扇形内的部分和扇形外的部分的面积比为2∶1；且该所述第一扇形与第二扇形的一条边重合，另一条边朝向相反方向延伸；

确定所述第一曲线与第二曲线的交点作为起始点0*；且所述第一扇形与第二扇形的边分别为所述的三条引出线。

5.根据权利要求2所述的三打印头的3D打印机的打印区域控制方法，其特征在于，所述起始点0*通过以下方法确定：采用穷举法确定所述起始点0*。

6.根据权利要求1-5任一项所述的三打印头的3D打印机的打印区域控制方法，其特征在于，所述方法还包括：

沿所述圆形的中间冲突区域生成外切的正多边形以作为多边形的中间冲突区域，所述正多边形具有2×3×N条边，且所述正多边形对应的顶点分别位于所述引出线上；沿所述正多边形的其他顶点引出沿所述引出线两侧延伸的平行线以形成带状的中间冲突区域。

7.根据权利要求1所述的三打印头的3D打印机的打印区域控制方法，其特征在于，所述方法中的确定了工件的截面之后还包括：

生成一条斜率为并能将所述截面的左、右面积分为比1∶2的直线l₃；生成一条斜率为且能将所述截面的左、右面积分为比2∶1的直线l₄；判断直线l₃和直线l₄的交点0是否位于所述截面内，如果否则在所述直线l₃和直线l₄两侧分别生成带状的中间冲突区域，步骤结束。

8.一种三打印头的3D打印机的打印方法，其特征在于，包括：

利用如权利要求1-7任一种方法确定中间冲突区域和非冲突子区域；其中所述中间冲突区域包括多边形的中间冲突区域和带状的中间冲突区域，或包括圆形的中间冲突区域和带状的中间冲突区域、非冲突子区域,

利用三个打印头分别打印相互成120°的非冲突子区域或带状中间冲突区域，打印完毕后使所述打印头朝向同一方向移动后打印相邻的区域；利用一个打印头打印圆形的中间冲突区域或多边形的中间冲突区域。