CN104708824B - 一种保留模型特征的3d打印自适应切片方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种保留模型特征的3D打印自适应切片方法，属于3D打印技术领域。该方法包括以下步骤：1)根据实际工程设计，建立三维模型，并对模型进行网格化处理，生成STL文件数据；2)对模型的STL文件数据进行预处理；3)采用自适应分层算法处理经预处理后的文件数据，得到切片轮廓信息；4)采用特征存在条件判断切片轮廓信息中任意相邻两分层高度上的切片是否有可能存在特征，若有可能存在特征，则采用最小分层厚度l_min对切片间的模型数据进行二次切片，否则，不做处理；同时记录切片轮廓信息；5)将经步骤四处理后的切片轮廓信息按照切片格式生成打印文件，进行3D打印。该方法能够有效减少打印时间，减少内存使用量以及计算量。

Description

一种保留模型特征的3D打印自适应切片方法

技术领域

本发明属于3D打印技术领域，涉及一种保留模型特征的3D打印自适应切片方法。

背景技术

3D打印(3D Printing)也称增材制造(Additive Manufacturing，AM)，这种技术采用离散堆积的工艺原理，利用逐层打印的方法得到三维实体。它的基本原理是：在某一方向上(通常选Z轴方向)，用足够多的切片去切三维模型，那么在每一层上就得到切片与模型相交的所有轮廓信息，利用轮廓彼此的包含关系判断出要打印的部分，再通过对打印材料的逐层堆积粘结，最终打印出想要打印的三维实体。目前，3D打印中三维模型使用最广泛的是STL文件格式的模型，它用许多小三角形来逼近模型的表面。从上面快速成型的原理可以看到，对三维模型的分层处理是快速成型中的重要步骤之一。

基于STL文件的3D打印分层算法主要有均匀分层和自适应分层两种。均匀分层即采用统一的分层厚度对模型进行分层处理；自适应分层会根据物体的表面复杂情况，自动的对模型的分层厚度进行改变，使得复杂的表面具有的分层厚度(layer thickness)较小，简单的表面具有的分层厚度较大。由于3D打印离散堆积的固有缺陷，分层算法导致的3D打印中的误差主要有：阶梯误差、模型特征的丢失和偏移。在均匀分层中减小分层厚度，必然能减小阶梯误差，但是分层数就会增加，必然导致打印时间的增加；自适应分层就是为了解决这一矛盾提出来的，它能在用同均匀分层相同的分层数的情况下，能有效的减小阶梯误差，但是却不能处理模型特征的丢失和偏移。

为了有效的减小阶梯误差、模型特征的丢失和偏移，本发明提出了一种能有效保留模型特征的3D打印自适应切片方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种保留模型特征的3D打印自适应切片方法，该方法用于解决阶梯误差、模型特征的丢失和偏移引起的打印加工缺陷问题，能够有效地减少打印时间，减少内存使用量以及计算量。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种保留模型特征的3D打印自适应切片方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：根据实际工程设计，采用计算机软件建立三维模型，并对模型进行网格化处理，生成STL文件数据；

步骤二：对模型的STL文件数据进行预处理；

步骤三：采用自适应分层算法处理经预处理后的文件数据，得到切片轮廓信息；

步骤四：采用特征存在条件判断切片轮廓信息中任意相邻两分层高度上的切片是否有可能存在特征，若有可能存在特征，则采用最小分层厚度l_min对切片间的模型数据进行二次切片，并记录切片轮廓信息；否则，不做处理，记录切片轮廓信息；

步骤五：将经步骤四处理后的切片轮廓信息按照切片格式生成打印文件，进行3D打印。

进一步，所述步骤一中的STL文件数据包含经网格化处理后生成的所有三角面片的三个顶点三维坐标以及其单位法向量数据。

进一步，所述步骤二对模型的STL文件数据进行预处理，具体包括以下步骤：

1)给定最大、最小分层厚度(l_max，l_min)以及尖端高度c的值；

2)对STL文件数据进行排序预处理，设分层方向为z轴，遍历所有的三角面片，比较每个面片中的三个顶点z坐标的大小，获取所有三角面片中z坐标的最大值、最小值(z_max,z_min)，得到由第j个三角面片的z坐标最大值、最小值构成的集合{(z_j)_max,(z_j)_min}，以及面片法向量z坐标z_j,N；定义三角面片法向量N与z轴正方向夹角为γ_j，满足z_j,N＝cos(γ_j)，|cos(γ_j)|为该面片的复杂度。

进一步，所述步骤三采用自适应分层算法处理经预处理后的文件数据，度量阶梯误差采用尖端高度方法，将模型从z_min到z_max按分层厚度l_i进行分层，当分层终止，对应的第i层分层高度如下公式所示：

分层总数为n+2，获取每层高度对应的切片轮廓信息。

进一步，所述切片轮廓信息为片面与该层所有三角面片的交点、交线信息，并将交线首尾相连构成轮廓信息。

进一步，所述尖端高度方法，具体包括以下步骤：选与第i层分层高度的切片相交的三角面片中，最大的三角面片，记作为该层的表征三角面片，表征三角面片对应的γ_j(h_i)、z_j,N(h_i)分别记作为θ_i、z_i,N；通过固定尖端高度c为常量，将模型沿z轴方向按照以下公式所示的分层厚度来对模型进行分层，

其中，切片厚度参数γ_j(h_i)为与第i层分层高度h_i相交的三角面片的法向量N与z轴正方向夹角，z_j,N(h_i)为与第i层分层高度h_i相交的三角面片的法向量z坐标_。

进一步，所述步骤四中的特征包括特征面、特征线以及特征点；所述特征面是平行于分层平面的表面；所述特征线由两个非特征面的三角面片的交线组成，交线平行于分层平面，且两三角面片的夹角大于阈值；所述特征点由多个三角面片的交点组成，且三角面片上除交点外的其他点的z坐标值全都大于或者小于交点的z坐标值。

进一步，所述特征存在条件包括以下几种：

1)相邻两分层高度上的切片轮廓数发生变化，肯定存在模型的特征；

2)相邻两分层高度上的切片上，表征三角面片的复杂度发生变化，且它们差值的绝对值大于阈值，|θ_i-θ_i+1|大于阈值，i＝0,1,...,n，两切片间可能存在着模型的特征；

3)在相邻两分层高度上的切片间存在|(γ_j)_{max i,i+1}-(γ_j)_{min i,i+1}|大于阈值，三角面片满足(z_j)_max<h_i+1,(z_j)_min>h_i，其中，(γ_j)_{max i,i+1}、(γ_j)_{min i,i+1}分别为这两切片间所有三角面片中法向量与z轴正方向最大夹角和最小夹角，两切片间可能存在着模型的特征。

本发明的有益效果在于：本发明提供的一种保留模型特征的3D打印自适应切片方法，通过在特征附近用最小的分层厚度处理模型，能够有效的解决模型特征的丢失和偏移，从而保留模型特征，提高打印精度，同时结合了自适应分层方法，减少分层数，并给出了特征的准确定义以及特征识别的方法，本发明所提供的方法能够有效减少打印时间，减少内存使用量以及计算量。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为本发明所述方法的流程图；

图2为本发明所述方法的详细流程图；

图3为尖端高度、分层厚度、复杂度几何关系图；

图4为模型特征示意图；

图5(a)为实施案例中奖杯模型；

图5(b)为采用均匀分层方法处理打印轮廓图；

图5(c)为采用传统自适应分层方法处理打印轮廓图；

图5(d)为采用本发明所述方法处理打印轮廓图；

其中，1、3、7为平行于xoy平面的特征面；2、4、5为特征线；6为特征点。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

本发明所提供的一种保留模型特征的3D打印自适应切片方法，如图1和图2所示，该方具体包括以下步骤：

步骤一：根据实际工程设计，采用计算机软件建立三维模型，并对模型进行网格化处理，生成STL文件数据；

所述STL文件数据包含经网格化处理后生成的所有三角面片的三个顶点三维坐标以及其单位法向量数据。

步骤二：对模型的STL文件数据进行预处理；具体包括以下步骤：

1)用户根据3D打印机的精度、响应特性等实际情况并结合模型结构的具体要求，给定最大、最小分层厚度(l_max＝10mm，l_min＝1mm)以及尖端高度c的值，如c＝0.8mm；

2)对STL文件数据进行排序预处理，设分层方向为z轴，遍历所有的三角面片，比较每个面片中的三个顶点z坐标的大小，获取所有三角面片中z坐标的最大值、最小值(z_max,z_min)(z_max＝247mm,z_min＝0mm)；得到由第j个三角面片的z坐标最大值、最小值构成的集合{(z_j)_max,(z_j)_min}，以及面片法向量z坐标z_j,N，如图3所示，定义三角面片法向量N与z轴正方向夹角为γ_j，满足z_j,N＝cos(γ_j)，|cos(γ_j)|反映了该面片的复杂度，绝对值越大，复杂度越高，图中，c为尖端高度，l_i为分层厚度，θ为表征三角面片对应的γ_j(h_i)，h_i为第i层分层高度，N为三角面片法向量。

步骤三：采用自适应分层算法处理经预处理后的文件数据，得到切片轮廓信息；具体步骤为：度量阶梯误差采用尖端高度方法，将模型从z_min到z_max按分层厚度l_i进行分层，即通过固定尖端高度c为常量，根据公式(2)将模型沿z轴方向按照分层厚度l_i来对模型进行分层，即切片面与该层所以三角面片的交点、交线信息。当(实施例中，)分层终止，赋予最顶层分层高度为247mm，对应的第i层分层高度如公式(1)所示：

分层总数为n+2，实施例中n+2＝141层，获取每层高度对应的切片轮廓信息；所述切片轮廓信息为片面与该层所有三角面片的交点、交线信息，并将交线首尾相连构成轮廓信息。

所述尖端高度方法，具体包括以下步骤：选与第i层分层高度的切片相交的三角面片中(即分层高度值在三角面片Z坐标最大、最小值之间，(z_j)_max≥h_i≥(z_j)_min)，最大的三角面片(即复杂度最大，|cos(γ_j)|最大，也就是|z_j,N(h_i)|最大)，记作为该层的表征三角面片，表征三角面片对应的γ_j(h_i)、z_j,N(h_i)分别记作为θ_i、z_i,N；通过固定尖端高度c为常量，将模型沿z轴方向按照以下公式(2)所示的分层厚度来对模型进行分层，

其中，切片厚度参数γ_j(h_i)为与第i层分层高度h_i相交的三角面片的法向量N与z轴正方向夹角，z_j,N(h_i)为与第i层分层高度h_i相交的三角面片的法向量z坐标。

步骤四：采用特征存在条件判断切片轮廓信息中任意相邻两分层高度上的切片是否存在特征，即遍历自适应方法处理后的分层切片采用特征存在条件来判断步骤三所得的任意相邻两分层高度上的切片中是否存在特征，若存在，则采用最小分层厚度l_min对切片间的模型数据进行二次切片，并记录切片轮廓信息；否则，不做处理，记录切片轮廓信息；

所述步骤四中的特征包括特征面、特征线以及特征点；如图4所示，特征面是平行于分层平面的表面，分层平面平行于xoy平面，如图中1、3、7所标示；所述特征线由两个非特征面的三角面片的交线组成，交线平行于分层平面，且两三角面片的夹角大于阈值，如图中2、4、5所标示；所述特征点由多个三角面片的交点组成，且三角面片上除交点外的其他点的z坐标值全都大于或者小于交点的z坐标值，如图中6所标示。

所述特征可能存在条件包括以下三种：

1)如果相邻分层高度上的切片轮廓数发生变化，那么这两切片间必然存在着模型的特征；

2)如果相邻两分层高度上的切片上，表征三角面片的复杂度发生变化，且它们差值的绝对值大于阈值，即|θ_i-θ_i+1|大于阈值，i＝0,1,...,n，那么在这两切片间可能存在着模型的特征；

3)在相邻两分层高度上的切片间存在|(γ_j)_{max i,i+1}-(γ_j)_{min i,i+1}|大于阈值，此间三角面片满足(z_j)_max<h_i+1,(z_j)_min>h_i，那么在这两切片间可能存在着模型的特征，其中，(γ_j)_{max i,i+1}、(γ_j)_{min i,i+1}分别为这两切片间所有三角面片中法向量与z轴正方向夹角γ_j最大和最小的那两个三角面片的夹角。

实施例中将阈值设定为30°，如都不符合三个特征存在条件，则判定这两切片间没有特征存在，直接保存该层切片轮廓信息；否则可能有特征在此两切片间，采用最小分层厚度l_min对切片间的模型数据进行二次切片，分层总数增加到174层，并记录切片轮廓信息。

步骤五：将步骤四所得切片轮廓信息按照切片格式生成打印文件，进行3D打印。

如图5所示，实际生活中的奖杯模型图5(a)，网格化后具有35342个三角面片，该模型含有11个特征。本实施案例分别采用了均匀分层方法图5(b)、传统自适应分层方法图5(c)以及本发明方法图5(d)进行分层处理加以对比。如表1所示，在相同的最小分层厚度l_min＝1mm的条件下，为了能完整、准确的表述奖杯模型所具有的特征，均匀分层方法需要等分为248层；自适应分层方法虽然分层数目较少，仅为141层，但是模型特征存在严重的丢失；本发明方法在自适应分层方法的基础上增加了对特征的处理，分层数目为174层，仍比均匀分层方法减少了约30％，同时，模型特征得到了完整的保留，在后续的3D打印加工过程中能大大的提高打印速度，减少数据内存占有。

表1 实施案例中奖杯模型的各方法分层数对比

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (5)

1.一种保留模型特征的3D打印自适应切片方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤一：根据实际工程设计，采用计算机软件建立三维模型，并对模型进行网格化处理，生成STL文件数据；

步骤二：对模型的STL文件数据进行预处理；

步骤三：采用自适应分层算法处理经预处理后的文件数据，得到切片轮廓信息；

步骤四：采用特征存在条件判断切片轮廓信息中任意相邻两分层高度上的切片是否有可能存在特征，若有可能存在特征，则采用最小分层厚度l_min对切片间的模型数据进行二次切片，并记录切片轮廓信息；否则，不做处理，记录切片轮廓信息；

步骤五：将经步骤四处理后的切片轮廓信息按照切片格式生成打印文件，进行3D打印；

所述步骤一中的STL文件数据包含经网格化处理后生成的所有三角面片的三个顶点三维坐标以及其单位法向量数据；

所述步骤二对模型的STL文件数据进行预处理，具体包括以下步骤：

1)给定最大分层厚度l_max、最小分层厚度l_min以及尖端高度c的值；

2)对STL文件数据进行排序预处理，设分层方向为z轴，遍历所有的三角面片，比较每个面片中的三个顶点z坐标的大小，获取所有三角面片中z坐标的最大值z_max、最小值z_min，得到由第j个三角面片的z坐标最大值、最小值构成的集合{(z_j)_max,(z_j)_min}，以及面片法向量z坐标z_j,N；定义三角面片法向量N与z轴正方向夹角为γ_j，满足z_j,N＝cos(γ_j)，|cos(γ_j)|为该面片的复杂度；

所述步骤三采用自适应分层算法处理经预处理后的文件数据，度量阶梯误差采用尖端高度方法，将模型从z_min到z_max按分层厚度l_i进行分层，当分层终止，对应的第i层分层高度如下公式所示：

$h_i=\left\{\begin{array}{cc}{z}_{min}& i=0\\ z_{min}+\underset{k=0}{\overset{i-1}{\&Sigma;}}{l}_k& i=1,2,K,n\\ z_{\max }& i=n+1\end{array}\right.,$

分层总数为n+2，获取每层高度对应的切片轮廓信息。

2.根据权利要求1所述的一种保留模型特征的3D打印自适应切片方法，其特征在于：所述切片轮廓信息为片面与该层所有三角面片的交点、交线信息，并将交线首尾相连构成轮廓信息。

3.根据权利要求1所述的一种保留模型特征的3D打印自适应切片方法，其特征在于：所述尖端高度方法，具体包括以下步骤：选与第i层分层高度的切片相交的三角面片中，最大的三角面片，记作为该层的表征三角面片，表征三角面片对应的γ_j(h_i)、z_j,N(h_i)分别记作为θ_i、z_i,N；通过固定尖端高度c为常量，将模型沿z轴方向按照以下公式所示的分层厚度来对模型进行分层，

$l_i=\left\{\begin{array}{cc}{l}_{min}& K\&le;l_{min}\\ \frac{c}{\left|cos\left({\mathrm{\&theta;}}_i\right)\right|}=\frac{c}{\left|z_{i,N}\right|}& l_{\min }<K<l_{max}\\ l_{\max }& l_{max}\&le;K\end{array}\right.,$

其中，切片厚度参数γ_j(h_i)为与第i层分层高度h_i相交的三角面片的法向量N与z轴正方向夹角，z_j,N(h_i)为与第i层分层高度h_i相交的三角面片的法向量z坐标。

4.根据权利要求1所述的一种保留模型特征的3D打印自适应切片方法，其特征在于：所述步骤四中的特征包括特征面、特征线以及特征点；所述特征面是平行于分层平面的表面；所述特征线由两个非特征面的三角面片的交线组成，交线平行于分层平面，且两三角面片的夹角大于阈值；所述特征点由多个三角面片的交点组成，且三角面片上除交点外的其他点的z坐标值全都大于或者小于交点的z坐标值。

5.根据权利要求1所述的一种保留模型特征的3D打印自适应切片方法，其特征在于：所述特征存在条件包括以下几种：

1)相邻两分层高度上的切片轮廓数发生变化，肯定存在模型的特征；

2)相邻两分层高度上的切片上，表征三角面片的复杂度发生变化，且它们差值的绝对值大于阈值，|θ_i-θ_i+1|大于阈值，i＝0,1,K,n，两切片间可能存在着模型的特征；

3)在相邻两分层高度上的切片间存在|(γ_j)_{max i,i+1}-(γ_j)_{min i,i+1}|大于阈值，三角面片满足(z_j)_max＜h_i+1,(z_j)_min＞h_i，其中，(γ_j)_{max i,i+1}、(γ_j)_{min i,i+1}分别为这两切片间所有三角面片中法向量与z轴正方向最大夹角和最小夹角，两切片间可能存在着模型的特征。