CN104827666B - 3d打印支撑方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及打印技术领域，公开了一种3D打印支撑方法，包括：检测待打印3D模型表面的各个三角面与水平面的夹角；对于夹角小于预定夹角α的三角面，在其下方预定距离d处复制与所述三角面形状相同且平行的支撑面，所述d为0～2倍切片层高；以所述支撑面为顶面向下生成与所述3D模型不相交的支撑体模型；控制3D打印机打印所述3D模型和支撑体模型。还公开了一种3D打印支撑系统。本发明的3D打印支撑方法及系统中，通过支撑体与3D模型间隔一定距离，既达到了支撑作用又能够在打印完成后使支撑体与3D模型顺利分离，而不影响被支撑3D模型的表面光滑程度，实现了较好的3D打印效果。

Description

3D打印支撑方法及系统
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，尤其设计一种3D打印支撑方法及系统。
背景技术
对于熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling，FDM)三维打印技术，在打印3D模型时，是一层一层从底面打印到顶面的。因此当3D模型上部比下部大时，如图1中(a)和(b)所示的两个3D模型，就需要上部对应的下方位置有相应的支撑结构，即要在图1中(a)和(b)两个3D模型的阴影面下方形成支撑结构，否则无法打印突出的部分。目前大多的3D打印方法中支撑结构都是与3D模型上部一体打印，因此3D打印完成后将支撑结构与3D模型分离时可能会损坏接触面，使得打印完成后难以将支撑结构与3D模型分离。
发明内容
本发明的目的是提供一种3D打印支撑方法及系统，以实现支撑结构的打印，且方便支撑结构与3D模型分离。
根据本发明的一个方面提供了一种3D打印支撑方法，其特征在于，包括：
检测待打印3D模型表面的各个三角面与水平面的夹角；
对于夹角小于预定夹角α的三角面，在其下方预定距离d处复制与所述三角面形状相同且平行的支撑面，所述d为0～2倍切片层高；
以所述支撑面为顶面向下生成与所述3D模型不相交的支撑体模型；
控制3D打印机打印所述3D模型和支撑体模型。
其中，对于中空且封闭的待打印3D模型，在所述检测待打印3D模型表面的各个三角面与水平面的夹角包括检测内表面的三角面和外表面的三角面的夹角。
其中，在检测内表面的三角面和外表面的三角面的夹角之前还包括：对所述中空且封闭的待打印3D模型内表面向内缩进预定距离t，使所述中空的待打印3D模型外壳变厚的步骤。
其中，对于夹角小于所述预定夹角α的内表面的三角面，所述预定距离d＝0。
其中，以所述支撑面为顶面向下生成一个与所述3D模型不相交的支撑体模型的具体步骤包括：
以所述支撑面为顶面且为截面形状向下生成柱体模型；
将所述柱体模型与所述待打印3D模型进行布尔减运算，对于所述柱体模型与所述待打印3D模型两者相交的部分，将所述柱体模型向远离3D模型的方向缩进，使两者的相邻面间隔距离w，以最终生成所述支撑体模型。
其中，所述w为0倍至3倍喷头直径。
其中，所述预定夹角α为30°～60°。
其中，所述预定夹角α为45°
其中，所述预定距离d为打印切片的层高。
其中，所述控制3D打印机打印支撑体时采用可溶性材料进行打印。
其中，所述支撑体模型只包括所述支撑面和支撑体内部填充结构。
根据本发明的另一个方面，提供了一种3D打印支撑系统，其特征在于，包括：
夹角检测单元，用于检测待打印3D模型表面的各个三角面与水平面的夹角；
支撑面生成单元，用于对于夹角小于预定夹角α的三角面，在其下方预定距离d处复制与所述三角面形状相同且平行的支撑面，d为0～2倍切片层高；
支撑体生成单元，用于以所述支撑面为顶面向下生成与所述3D模型不相交的支撑体模型；
打印控制单元，用于控制3D打印机打印所述3D模型和支撑体模型。
其中，对于中空且封闭的待打印3D模型，夹角检测单元包括检测内表面的三角面和外表面的三角面的夹角。
其中，还包括：缩进单元，用于对所述中空的待打印3D模型内表面向内缩进预定距离t，使所述中空且封闭的待打印3D模型外壳变厚的步骤。
其中，对于夹角小于所述预定夹角α的内表面的三角面，所述预定距离d＝0。
其中，所述支撑体生成单元具体包括：
柱体生成单元，用于以所述支撑面为顶面且为截面形状向下生成柱体模型；
布尔运算单元，用于将所述柱体模型与所述待打印3D模型进行布尔减运算，对于所述柱体模型与所述待打印3D模型两者相交的部分，将所述柱体模型向远离3D模型的方向缩进，使两者的相邻面间隔距离w，以最终生成所述支撑体模型。
其中，所述w为0倍至3倍喷头直径。
其中，所述预定夹角α为30°～60°。
其中，所述预定夹角α为45°
其中，所述预定距离d为打印切片的层高。
其中，所述控制3D打印机打印支撑体时采用可溶性材料进行打印。
其中，所述支撑体模型只包括所述支撑面和支撑体内部填充结构。
本发明的3D打印支撑方法及系统中，通过支撑体与3D模型的外表面间隔0～2倍切片层高的距离，既达到了支撑作用，支撑体顶面与3D模型被支撑面又不会压得太紧，能够在打印完成后使支撑体与3D模型顺利分离，而不影响被支撑3D模型的表面的光滑程度，实现了较好的3D打印效果。
附图说明
图1中(a)和(b)分别是两种3D模型的结构示意图；
图2是本发明实施例的一种3D打印支撑方法流程图；
图3是对中空结构的3D模型缩进并生成内部支撑体后的示意图；
图4中(a)是需要生成外部支撑的3D模型三角面的侧面示意图，(b)是需要生成内部支撑的3D模型三角面的侧面示意图是；
图5是对图1(a)中的3D模型生成支撑体模型的示意图；
图6是图2中步骤S300的具体流程图；
图7是对图1(b)中的3D模型生成支撑体模型的示意图；
图8是本发明实施例的一种3D打印支撑系统结构示意图；
图9是本发明实施例的另一种3D打印支撑系统结构示意图；
图10是图8和图9中支撑体生成单元的具体结构示意图。
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。
本发明实施例的一种3D打印支撑方法流程如图2所示，包括：
步骤S100，检测待打印3D模型表面的各个三角面(通常三维模型是采用三角面来近似模拟物体的表面)与水平面的夹角。该步骤中，可通过在计算机建模时的参数中获取各个三角面的三维参数，从而得到三角面与水平面的夹角。
步骤S200，对于夹角小于预定夹角α的三角面，在其下方预定距离d处复制与所述三角面形状相同且平行的支撑面。其中，预定夹角α可以根据实际情况具体设定。预定距离d为0～2倍切片层高。
步骤S300，以所述支撑面为顶面向下生成与所述3D模型不相交的支撑体模型。
步骤S400，控制3D打印机打印所述3D模型和支撑体模型。
通过支撑体与3D模型间隔0～2倍切片层高的距离d，既达到了支撑作用，支撑体顶面与3D模型被支撑面又不会压得太紧，能够在打印完成后使支撑体与3D模型顺利分离，而不影响被支撑3D模型的表面的光滑度，实现了较好的3D打印效果。
上述打印支撑体的方法主要针对与外部支撑的情况，但该方法同样适用于需要内部支撑的3D模型。
如图3所示，对于中空且封闭的待打印3D模型，在步骤S100中包括检测内表面的三角面和外表面的三角面的夹角。
进一步地，在检测内表面的三角面和外表面的三角面的夹角之前还包括：对所述中空且封闭的待打印3D模型内表面向内缩进预定距离t，使所述中空的待打印3D模型外壳变厚的步骤。缩进距离t可根据实际情况而定，距离t越大，则模型外壳越厚越坚固，耗材越多；距离t越小，则模型外壳越薄，耗材越少。缩进之后在执行步骤S100～S400打印支撑体，如图3中虚线部分所示，为中空且封闭的待打印3D模型的内部支撑。由于封闭的中空3D模型打印完成后支撑体无需也无法取出，因此内部支撑体即解决了无法打印的问题，同时在节省一些内部填充材料的情况下使得这种3D模型更加坚固。
步骤S100中，具体可通过计算三角面的法矢量与竖直方向(即z轴)的夹角来得到三角面与水平面的夹角。如图4中(a)所示，对于外部支撑的情况，求法矢量和z轴负方向的夹角。如图4中(b)所示，对于内部支撑的情况，求法矢量与z轴正方向求夹角。
步骤S200中，预定夹角α可根据实际情况设定，由于三角面在与水平面的夹角在小于30°～60°范围的任一个值且没有支撑的情况下比较难打印，因此α优选为30°～60°，例如45°。如图3所示，图4中(a)的外表面左边的三角面与水平面呈夹角β小于45°，需要在下方打印支持体，右边的三角面与水平面呈夹角θ大于45°，下方不需要支撑；图4中(b)的内表面的顶面和右边三角面与水平面呈夹角β小于45°，需要在下方打印支持体，左面与水平面呈夹角θ大于45°，下方不需要支撑。
预定距离d优选为打印切片的层高，d为单倍切片层高既方便对喷头上下移动的控制。如图5所示，对图1(a)中的3D打印模型，从其突出部下方距离d处生成了平行与突出部底面的支撑面S。
进一步地，由于封闭的中空3D模型中的支撑体无法取出，因此，对于夹角小于所述预定夹角α的内表面的三角面，预定距离d可以设为0，这样内部的支撑体的顶面与3D模型的内表面完全接触，支撑能力更强。内部支撑体也最好采用与3D模型相同的材料打印。
步骤S300的具体流程如图6所示，包括：
步骤S301，以所述支撑面为顶面且为截面形状向下生成柱体模型。如图5中所示，从其突出部下方距离d处的支撑面S开始向下生成横截面形状(若S不是水平的，即为平行于S的截面形状)为S的柱体模型，以形成对突出部的支撑。
步骤S302，将所述柱体模型与所述待打印3D模型进行布尔减运算，对于所述柱体模型与所述待打印3D模型两者相交的部分，将所述柱体模型向远离3D模型的方向缩进，使两者的相邻面间隔距离w，以最终生成所述支撑体模型。对于图1中(b)所示的3D模型，上下各有一个突出部，因此在打印支撑体时需要避开下方的突出部。图6示出了图1中(b)所示的3D模型的支撑体结构，即将柱体模型与待打印3D模型进行布尔减运算，去掉与下方突出部重叠的部分。具体地，可以利用建模时的三维坐标系(xyz坐标系，xy为底面，z为纵轴)，将交叠部分的柱体模型在xy平面向远离3D模型的方向缩进，使柱体模型与待打印3D模型的相邻面间隔w。
其中，w可根据实际情况进行设置，优选地为0倍至3倍喷头直径为宜，这个距离可以使支撑体和3D模型之间相互支撑，如图6中虚线椭圆框处所示，3D模型的下方突出部对支撑体起到支撑作用。
进一步地，支撑体模型只起支撑作用，因此生成的支撑体只包括支撑面和支撑体内部填充结构，即不包括外表面(不打印与3D模型一样的外表面)，这样节省了材料，而且不打印外表面，相当于柱体在xy平面本身有一定的缩进，相当于上述w为外表面的厚度(即一倍喷头直径的厚度)，打印完成后容易分离支撑体。因此，对于图1中(a)的3D模型，柱体不会与待打印的3D模型相交或重叠。
进一步地，为了更方便更彻底地分离支撑体，步骤S400中，控制3D打印机打印支撑体时采用可溶性材料进行打印，可溶性材料如：聚乙烯醇(PVA)或抗冲击性聚苯乙烯(HIPS)等。尤其是在d为0和/或w为0的时候，若用与3D模型相同的材料打印支撑体，分离后总会有微量的材料会残留在3D模型上。而采用可溶性材料在打印完成后通过浸泡将支撑体溶解，使得3D模型的被支撑面更加光滑。无论是外部支撑或内部支撑均可采用可溶性材料来打印支撑体。
本发明还提供了一种3D打印支撑系统，如图8所示，包括：
夹角检测单元100，用于检测待打印3D模型表面的各个三角面与水平面的夹角。
支撑面生成单元200，用于对于夹角小于预定夹角α的三角面，在其下方预定距离d处复制与所述三角面形状相同且平行的支撑面，所述d为0～2倍切片层高。
支撑体生成单元300，用于以所述支撑面为顶面向下生成与所述3D模型不相交的支撑体模型。
打印控制单元400，用于控制3D打印机打印所述3D模型和支撑体模型。
本实施例中，对于中空且封闭的待打印3D模型，夹角检测单元包括检测内表面的三角面和外表面的三角面的夹角。
对于中空且封闭的待打印3D模型，如图9所示，3D打印支撑系统还包括：缩进单元50，用于对所述中空且封闭的待打印3D模型内表面向内缩进预定距离t，使所述中空的待打印3D模型外壳变厚的步骤。由于封闭的中空3D模型打印完成后支撑体无需也无法取出，因此内部支撑体即解决了无法打印的问题，同时在节省一些内部填充材料的情况下使得这种3D模型更加坚固。由于封闭的中空3D模型打印完成后支撑体无需也无法取出，因此内部支撑体即解决了无法打印的问题，同时在节省一些内部填充材料的情况下使得这种3D模型更加坚固。
本实施例中，所述支撑体生成单元300具体结构如图10所示，包括：
柱体生成单元310，用于以所述支撑面为顶面且为截面形状向下生成柱体模型。
布尔运算单元320，用于将所述柱体模型与所述待打印3D模型进行布尔减运算，对于所述柱体模型与所述待打印3D模型两者相交的部分，将所述柱体模型向远离3D模型的方向缩进，使两者的相邻面间隔距离w，以最终生成所述支撑体模型。其中，所述w为0倍至3倍喷头直径。
由于三角面在与水平面呈的夹角在小于30°～60°的范围且没有支撑的情况下比较难打印，因此预定夹角α优选为30°～60°，如：45°。
本实施例中，所述预定距离d为打印切片的层高，d为单倍切片层高既方便对喷头上下移动的控制。
进一步地，对于中空且封闭的3D模型，由于内部支撑无法取出，因此夹角小于所述预定夹角α的内表面的三角面，其距离下方的支撑面的预定距离d＝0。这样支撑体的顶面与3D模型的内表面完全接触，支撑能力更强。支撑体也最好采用与3D模型相同的材料打印。
本实施例中，所述打印控制单元400在打印支撑体时采用可溶性材料进行打印，尤其是d为0和/或w为0的时候。这样在打印完成后能够更方便更彻底地分离支撑体。可溶性材料如：聚乙烯醇(PVA)或抗冲击性聚苯乙烯(HIPS)等。
由于支撑体模型只起支撑作用，因此所述支撑体模型只包括所述支撑面和支撑体内部填充结构，即不包括外表面(不打印与3D模型一样的外表面)，这样节省了材料，而且不打印外表面，相当于柱体在xy平面本身有一定的缩进，打印完成后容易分离支撑体。
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 (14)

1.一种3D打印支撑方法，其特征在于，包括：
检测待打印3D模型表面的各个三角面与水平面的夹角；
对于夹角小于预定夹角α的三角面，在其下方预定距离d处复制与所述三角面形状相同且平行的支撑面，所述预定距离d取值为0～2倍切片层高，所述预定夹角α为30°～60°；
以所述支撑面为顶面向下生成与所述3D模型不相交的支撑体模型包括：
以所述支撑面为顶面且为截面形状向下生成柱体模型；
将所述柱体模型与所述待打印3D模型进行布尔减运算，对于所述柱体模型与所述待打印3D模型两者相交的部分，将所述柱体模型向远离3D模型的方向缩进，使两者的相邻面间隔距离w，以最终生成所述支撑体模型；
其中，
所述w为0倍至3倍喷头直径；
其中，所述w＝0时，打印原料为可溶性材料；
控制3D打印机打印所述3D模型和支撑体模型。
2.根据权利要求1所述的3D打印支撑方法，其特征在于，对于中空且封闭的待打印3D模型，在所述检测待打印3D模型表面的各个三角面与水平面的夹角包括检测内表面的三角面和外表面的三角面的夹角。
3.根据权利要求2所述的3D打印支撑方法，其特征在于，在检测内表面的三角面和外表面的三角面的夹角之前还包括：对所述中空且封闭的待打印3D模型内表面向内缩进预定距离t，使所述中空的待打印3D模型外壳变厚的步骤。
4.根据权利要求2所述的3D打印支撑方法，其特征在于，对于夹角小于所述预定夹角α的内表面的三角面，所述预定距离d＝0。
5.根据权利要求1所述的3D打印支撑方法，其特征在于，所述预定夹角α为45°。
6.根据权利要求1～3中任一项所述的3D打印支撑方法，其特征在于，所述控制3D打印机打印支撑体时采用可溶性材料进行打印。
7.根据权利要求1～3中任一项所述的3D打印支撑方法，其特征在于，所述支撑体模型只包括所述支撑面和支撑体内部填充结构。
8.一种3D打印支撑系统，其特征在于，包括：
夹角检测单元，用于检测待打印3D模型表面的各个三角面与水平面的夹角；
支撑面生成单元，用于对于夹角小于预定夹角α的三角面，在其下方预定距离d处复制与所述三角面形状相同且平行的支撑面，预定距离d取值为0～2倍切片层高，所述预定夹角α为30°～60°；
支撑体生成单元，用于以所述支撑面为顶面向下生成与所述3D模型不相交的支撑体模型；
所述支撑体生成单元具体包括：
柱体生成单元，用于以所述支撑面为顶面且为截面形状向下生成柱体模型；
布尔运算单元，用于将所述柱体模型与所述待打印3D模型进行布尔减运算，对于所述柱体模型与所述待打印3D模型两者相交的部分，将所述柱体模型向远离3D模型的方向缩进，使两者的相邻面间隔距离w，以最终生成所述支撑体模型；其中
所述w为0倍至3倍喷头直径；
其中，所述w＝0时，打印原料为可溶性材料；
打印控制单元，用于控制3D打印机打印所述3D模型和支撑体模型。
9.根据权利要求8所述的3D打印支撑系统，其特征在于，对于中空且封闭的待打印3D模型，夹角检测单元包括检测内表面的三角面和外表面的三角面的夹角。
10.根据权利要求9所述的3D打印支撑系统，其特征在于，还包括：缩进单元，用于对所述中空且封闭的待打印3D模型内表面向内缩进预定距离t，使所述中空的待打印3D模型外壳变厚的步骤。
11.根据权利要求10所述的3D打印支撑系统，其特征在于，对于夹角小于所述预定夹角α的内表面的三角面，所述预定距离d＝0。
12.根据权利要求8所述的3D打印支撑系统，其特征在于，所述预定夹角α为45°。
13.根据权利要求8～10中任一项所述的3D打印支撑系统，其特征在于，所述控制3D打印机打印支撑体时采用可溶性材料进行打印。
14.根据权利要求8～10中任一项所述的3D打印支撑系统，其特征在于，所述支撑体模型只包括所述支撑面和支撑体内部填充结构。
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