CN105608275A - 一种用于模型轻量化三维打印的打印路径的生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于模型轻量化三维打印的打印路径的生成方法，属于成型技术领域。该方法，执行如下步骤：1）根据模型的尺寸确定模型的最小包围盒；2）对包围盒切片，形成多个相同的切片层；3）在所述切片层的同平面上建立直角坐标系；4）以所述切片层在所述直角坐标系的极小值点为起点向所述直角坐标系中填充若干边长为l相互之间间距为d的蜂窝状路径单元，直至整个切片层被完全覆盖为止；5）根据各切片层的实际填充区域对切片层进行裁剪，得到该切片层的打印路径。该发明实现了轻量化三维打印的填充路径的生成，通过向切片层中填充完整的蜂窝状路径单元，避免重复走线带来的多端点堆积问题，不会有打印结构不平整的问题。

Description

一种用于模型轻量化三维打印的打印路径的生成方法

技术领域

本发明涉及一种打印路径的生成方法，属于成型技术领域。

背景技术

随着三维打印制造技术的不断发展，人们对节能、降耗、快速的制造要求越来越高，以减重、高性能为目标的轻量化结构受到人们越来越多的关注。目前基于三维打印技术的轻量化结构的生成方法主要有以下两类：第一类是模型在进行切片处理之前采用几何实体建模进行轻量化结构的设计，如在模型内部设计复杂的孔洞或桁架结构。第二类是模型在进行切片处理之后的扫描路径规划，通过在切层内部填充一些规整的网状路径(如蜂窝状扫描路径、菱形扫描路径、分形扫描路径)来实现轻量化结构的打印。

目前，国内外学者对第一类方法研究较多，如CheahC.M等人发表于TheInternationalJournalofAdvancedManufacturingTechnology，2003,21(4)，第291页-第301页的《Developmentofatissueengineeringscaffoldstructurelibraryforrapidprototyping》建立基本特征模型库，通过参数化更改基本特征模型的结构参数、空间约束条件、逻辑组合关系来构造多孔结构。Wang等在ACMTransactionsonGraphics(ProceedingsofACMSIGGRAPHAsia2013,2013,32(6):1-177:10)所提到的《Cost-effectiveprintingof3Dobjectswithskin-framestructures》是用蒙皮桁架结构代替内部材料的方法，将问题抽象为在物理和几何的条件约束下的桁架结构(数目)的优化问题。STAVAO.VANEK等在ACMTransactionsonGraphics.2012,48:1-11.中提到的《Stressrelief：improvingstructuralstrengthof3Dprintableobjects》是一种迭代优化的方法，通过在模型内部挖洞，对模型表面增厚和增加内部支撑结构的方式来增强物体的结构强度，虽然该方法可以节省内部材料的使用，但会改变物体的表面结构，对模型的外观产生一定影响。LinLv等在ACMTransactionsonGraphics.2014,33(4).中提到的《Build-to-Last:StrengthtoWeight3DPrintedObjects》是一种基于Voronoi图和FEM(有限元分析)的内部结构优化方法，采用FEM计算模型在外力下的应力图，通过Voronoi图结合应力图计算并产生类蜂窝状的内部结构，但该方法实现复杂，且仅适用于部分三维打印工艺。

虽然通过前文所提到的在模型内部构建复杂的孔洞和桁架结构等方法是可以实现轻量化，但是诸如此类的方法算法复杂，需要大量的布尔运算，构建后模型的数据量急剧增加，增加切片处理时间。同时模型内部大量的孔洞和桁架将会导致同一切层出现大量切片内轮廓，，对后续的扫描路径规划带来很多问题，如打印过程中出现大量的空行程和跳刀。另外，为了保证模型内部的孔洞或桁架结构能被成功打印，则打印过程中还需对孔洞或桁架结构添加额外支撑，且该支撑无法去除。

而对于第二类方法，通过扫描路径规划直接实现轻量化结构的打印，不需要对模型内部进行实体建模，提高了算法的运行效率，加快了切片处理的速度，同时避免了后续路径规划中大量内轮廓环的出现。目前一些商业3D打印软件(如MakerWare、ReplicatorG等)已考虑在切层内部填充一些规整的网状路径，比如单双壁厚的蜂窝状路径，但此方法使内部蜂窝状路径单元受力不均匀。申请号201310727426.2中国发明专利《一种用于选择性激光烧结的蜂窝式激光扫描方法》。采用三组平行的间断直线路径来构造蜂窝状扫描路径，由于该方法采用三个方向间断式扫描，在路径的端点处出现三次重复扫描，使得端点处过堆积，同时采用三个方向间断式扫描也使切层上存在大量的空行程和跳刀，严重影响着成型质量和效率。Ponnusamy.P和GurunathanSaravanaKumar等分别在VirtualandPhysicalPrototyping,2009,4(3):165-180中提到的《Personalisedbonetissueengineeringscaffoldwithcontronlledarchitectureusingfractaltoolpathsinlayeredmannufacturing[J]》以及在VirtualandPhysicalPrototyping，2009，4(2):91-104.中提到的《Fractalrastertoolpathsforlayeredmanufacturingofporousobjects[J]》是采用不同的分形曲线对医学生物支架的切层进行填充，通过改变分形曲线的类型和填充密度实现了多孔的医学模型制造，该方法的缺陷是当分形曲线的单位步长较大时，将导致相邻路径上的丝材互不搭接，打印模型的强度较低。

因此，为了实现轻量化模型的快速制造并保证其具有较好的力学性能，在对模型切层内填充路径研究的基础上，提出一种三维打印路径生成方法，以保证在具有较高抗压强度的前提下，材料消耗仍能达到最低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提出一种既能保证模型结构强度，又能节约用料的用于模型轻量化三维打印的打印路径的生成方法。

本发明为了解决上述技术问题提出的技术方案是：一种用于模型轻量化三维打印的打印路径的生成方法，执行如下步骤：

1)根据所述模型的尺寸确定所述模型的最小包围盒；

2)对所述包围盒切片，形成多个相同的切片层；

3)在所述切片层的同平面上建立直角坐标系；

4)以所述切片层在所述直角坐标系的极小值点为起点向所述直角坐标系中填充若干边长为l相互之间间距为d的蜂窝状路径单元，直至整个切片层被完全覆盖为止；

5)根据各切片层的实际填充区域对所述切片层进行裁剪，得到该切片层的打印路径；

各切片层的实际填充区域为所述模型的轮廓与该实际填充区域对应的切片层的相交区域。

本发明采用上述技术方案的有益效果是：本发明实现了轻量化三维打印的填充路径的生成，通过向切片层中填充完整的蜂窝状路径单元，避免重复走线带来的多端点堆积问题，因此不会有打印结构不平整的问题；现有技术无论是三平行线的填充方式还是单双壁的填充方式，都不是采用完整的填充单元对切层进行填充，而本发明采用完整的填充单元，使得对填充层的排布易于实施，不会因为打印的不规则导致排布出现问题。

上述技术方案的改进是：在步骤5)中对切片层进行裁剪时，

a.对于位于该填充层的实际填充区域外部的蜂窝状路径单元，则将其裁剪舍弃；

b.对于位于该填充层的实际填充区域内部的蜂窝状路径单元，则不对其进行裁剪，并保证其原位置不动；

c.对于与该填充层的实际填充区域的边界轮廓相交的蜂窝状路径单元，则根据所述蜂窝状路径单元与该填充层的实际填充区域相交的顶点个数判断进行裁剪操作，保留位于所围区域内的所述蜂窝状路径单元的单元路径段。

上述技术方案的改进是：在所述c中，

若蜂窝状路径单元的扫描起点a₀位于实际填充区域外部时，则从所述扫描起点a₀开始遍历所述蜂窝状路径单元的各边，以确定该蜂窝状路径单元的各边与实际填充区域的轮廓交点的次序及个数，并对交点进行编号p_i(i＝1,2,3……)，当i为奇数时，此时蜂窝状路径单元的路径段在实际填充区域内，对该路径段进行保存；当i为偶数时，停止对蜂窝状路径单元的路径段进行保存，如此往复循环，直到该蜂窝状路径单元的各边均被遍历时，该蜂窝状路径单元的裁剪结束；

若蜂窝状路径单元的扫描起点a₀位于实际填充区域内部时，则从所述扫描起点a₀开始，对蜂窝状路径单元的路径段进行保存，并从所述扫描起点a₀开始遍历所述蜂窝状路径单元的各边，以确定该蜂窝状路径单元的各边与实际填充区域的轮廓交点的次序及个数，并对交点进行编号p_i(i＝1,2,3……)，当i为奇数时，停止对蜂窝状路径单元的路径段进行保存；当i为偶数时，再次对蜂窝状路径单元的路径段进行保存，直到i再次为奇数时停止对所述蜂窝状路径单元的路径段进行保存，如此往复循环，当该蜂窝状路径单元的各边均被遍历时，该蜂窝状路径单元裁剪结束。

本发明采用上述技术方案的有益效果是：本发明根据蜂窝状路径单元与实际填充区域的相对位置进行裁剪，对于与实际填充区域边界相交的蜂窝状路径填充单元，则根据扫描起点所在位置对蜂窝状路径单元的扫描路径进行保存，以完成对模型轮廓内的扫描路径的规划。

上述技术方案的改进是：在步骤4)中，以所述极小值点为第一个蜂窝状路径单元的定位点，并在所述直角坐标系中生成点阵，所述点阵中各点作为其他蜂窝状路径单元的定位点，所述点阵中各点间距为再在所述定位点处生成其他蜂窝状路径单元，使生成的蜂窝状路径单元能够完全覆盖整个切片层。

本发明采用上述技术方案的有益效果是：本发明为切片层(直角坐标系第一象限)规划蜂窝状路径填充单元的位置，使得整个切片层完全被蜂窝状路径单元所覆盖，在一定条件下可以达到极限情况下使用最少的蜂窝状路径单元即完全覆盖整个切片层。

上述技术方案的改进是：不同蜂窝状路径单元之间的相邻边相互搭接。

上述技术方案的改进是：蜂窝状路径单元间的间距d小于组成所述蜂窝状路径单元各边的成型丝材宽度w。

上述技术方案的改进是：以所述蜂窝状路径单元为基础向内偏置λ次形成λ个偏置间距为d的，且与原蜂窝状路径单元同中心的蜂窝状的内偏置路径单元。

本发明采用上述技术方案的有益效果是：可以通过可控变量λ控制蜂窝状填充单元的壁厚，提高打印成型结构的力学性能，改善整体受力性能，提高整体的结构强度。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是本实施例中λ＝0时的原始单元排布的局部示意图。

图2是本实施例中的应用模型的在最小包围盒中的示意图。

图3是本实施例中任一切片层上填充蜂窝状路径单元的示意图。

图4是本实施例中起始点于外部的裁剪过程的初始状态示意图。

图5是图4的裁剪结果示意图。

图6本是实施例的起始点于内部的裁剪过程的初始状态示意图。

图7是图6的裁剪结果示意图。

图8是本实施例的分形路径成型试件压缩试验的负荷-位移曲线图。

图9是本实施例的菱形路径成型试件压缩试验的负荷-位移曲线图。

图10是本实施例的单双壁厚蜂窝状路径成型试件压缩试验的的负荷-位移曲线图。

图11是本实施例的蜂窝状路径成型试件压缩试验的的负荷-位移曲线图。

图12是用本实施例的方法生成的异形结构下λ＝0时的路径的效果图。

图13是用本实施例的方法生成的异形结构下λ＝1时的路径的效果图。

具体实施方式

实施例

如图1-7所示，本实施例的一种用于模型轻量化三维打印的打印路径的生成方法，执行如下步骤：

1)如图2所示，根据模型的尺寸确定模型的最小包围盒；本实施例中的最小包围盒一般为长方体，在特殊情况下或为圆柱体，具体需要看所围的原始模型的形状是否规则，而最小包围盒的各面均与原始模型的外轮廓相切；

2)对包围盒切片，形成多个相同的切片层；

3)在所述切片层的同平面上建立直角坐标系；

4)如图3所示，以所述切片层在所述直角坐标系的极小值点为起点向所述直角坐标系中填充若干边长为l相互之间间距为d的蜂窝状路径单元，直至整个切片层被完全覆盖为止；

极小值点是指相对于切片层上其他各点而言，x，y均最小的点。

为计算方便可在已建立的直角坐标系中建立一个相对直角坐标系，而相对直角坐标系的原点为所述极小值点，以此来简化运算；除此之外还可以之间将极小值点就定义为坐标原点，也可达到简化处理过程的目的。

在本实施例中l的取值取决于应用那种工艺进行结构打印，就一般而言，若是将本方法应用于FDM成型工艺，则l取值不大于30mm，若l大于30mm，在生成封闭式的结构时会出现结构塌陷的情况。若是采用激光烧结SLS工艺时，因为工艺本身的原因，模型不会因为l的值过大而出现塌陷，那么此时的l值则根据需要按需设计，在不考虑力学强度和材料耗损的情况下理论上来说l的取值可以是无穷大。而当考虑到力学性能等概念时，则要综合考虑选用材料的弹性模量E_s、模型的屈曲临界值σ_c、成型丝材宽度w、内偏置次数λ以及蜂窝状路径单元间的间距d等，以此来综合考量如何能在材料耗损最小的情况下实现力学性能的最大化。

5)根据各切片层的实际填充区域对切片层进行裁剪，得到该切片层的打印路径；

各切片层的实际填充区域为模型的轮廓与该实际填充区域对应的切片层的相交区域。一般情况下，模型轮廓指模型的外轮廓，若模型不仅有外轮廓还有内轮廓时，即中空结构时，轮廓所指为内、外轮廓。但无论是外轮廓情况还是内、外轮廓的情况，其中除了内、外轮廓时实际填充区域为一个由内、外轮廓与切层面共同相交的连通区域外，其他操作步骤一致，均是要无论是内轮廓外轮廓都均要考虑的。

本实施例的在步骤5)中对切片层进行裁剪时，

a.对于位于该填充层的实际填充区域外部的蜂窝状路径单元，则将其裁剪舍弃；

b.对于位于该填充层的实际填充区域内部的蜂窝状路径单元，则不对其进行裁剪，并保证其原位置不动；

c.对于与该填充层的实际填充区域的边界轮廓相交的蜂窝状路径单元，则根据蜂窝状路径单元与该填充层的实际填充区域相交的顶点个数判断进行裁剪操作，保留位于所围区域内的蜂窝状路径单元的单元路径段。

进一步的，在本实施例的在c中，

若蜂窝状路径单元的扫描起点a₀位于实际填充区域外部时，如图4所示，则从扫描起点a₀开始遍历蜂窝状路径单元的各边，以确定该蜂窝状路径单元的各边与实际填充区域的轮廓交点的次序及个数，并对交点进行编号p_i(i＝1,2,3……)，当i为奇数时，此时蜂窝状路径单元的路径段在实际填充区域内，对该路径段进行保存；当i为偶数时，停止对蜂窝状路径单元的路径段进行保存，如此往复循环，直到该蜂窝状路径单元的各边均被遍历时，该蜂窝状路径单元的裁剪结束，结果如图5；

若蜂窝状路径单元的扫描起点a₀位于实际填充区域内部时，如图6所示，则从扫描起点a₀开始，对蜂窝状路径单元的路径段进行保存，并从扫描起点a₀开始遍历蜂窝状路径单元的各边，以确定该蜂窝状路径单元的各边与实际填充区域的轮廓交点的次序及个数，并对交点进行编号p_i(i＝1,2,3……)，当i为奇数时，停止对蜂窝状路径单元的路径段进行保存；当i为偶数时，再次对蜂窝状路径单元的路径段进行保存，直到i再次为奇数时停止对蜂窝状路径单元的路径段进行保存，如此往复循环，当该蜂窝状路径单元的各边均被遍历时，该蜂窝状路径单元裁剪结束，结果如图7所示。

本实施例在步骤4)中，以所述极小值点为第一个蜂窝状路径单元的定位点，并在直角坐标系中生成点阵，点阵中各点作为其他蜂窝状路径单元的定位点，点阵中各点间距为再在定位点处生成其他蜂窝状路径单元，使生成的蜂窝状路径单元能够完全覆盖整个切片层。点阵中点的个数N可以根据实际填充区域面积A除以蜂窝状路径填充单元的面积S进行估算，因为不能保证一定是整数，且蜂窝状路径单元间存在着间距d，所以此仅是做估算之用，则总的打印路径为约为其中 $N_i=\frac{A_i}{S}=\frac{A_i}{3\sqrt{3}{l}^2/2}=\frac{2\sqrt{3}}{9}\frac{A_i}{l^2},$ 此处i表示第i层切片层，非前文所提到的i。而当上式力学性能公式联立时便可进一步确定在λ为何值时L_总最小。

本实施例的不同蜂窝状路径单元之间的相邻边相互搭接。

能够增强以本方法生成的打印路径打印出的模型的结构强度。

本实施例的蜂窝状路径单元间的间距d小于组成蜂窝状路径单元各边的成型丝材宽度w。

本实施例的以蜂窝状路径单元为基础向内偏置λ次形成λ个偏置间距为d的，且与原蜂窝状路径单元同中心的蜂窝状的内偏置路径单元。

本实施例中定位点暂定作为蜂窝状路径单元的中心点，_Pc表示蜂窝状路径结构单元在xy平面内的中心点(Pc.x，Pc.y)，(x_min,y_min)、(x_max,y_max)分别表示最小包围盒在xy平面内的极小值点和极大值点，当沿x轴正方向在x轴上间隔切片层填充时，若Pc.x≥x_max，则 $Pc.x=Pc.x+\frac{\sqrt{3}l+d}{2},Pc.y=Pc.y+\frac{3l+\sqrt{3}d}{2},$ 并再次沿x轴的负方向间隔进行填充；若则 $Pc.y=Pc.y+\frac{3l+\sqrt{3}d}{2},$ 并再沿x轴的正方向间隔进行填充，直至为止。

此外，定位点也可选取蜂窝状路径单元的其他位置，但定位点不能超出蜂窝状路径单元内的2l*l的矩形范围，且各蜂窝状路径单元的相对位置必须一致。

以下是在保证打印模型材料使用量近似相等的情况下，采用makerbotReplicator2X打印设备分别对分形路径的成型试件、菱形路径的成型试件、单双壁厚蜂窝路径的成型试件及本文实施例提到的蜂窝路径的成型试件这四种类型的轻量化填充路径进行打印，打印实例为40×40×40mm³的立方体试件，材料为ABS树脂，将打印的立方体试件在WDS-100微控式电子万能试验机上进行压缩试验，整个压缩过程按照GB/T1041-2008塑料的压缩性能测定规定进行，室温23℃，试验速度为2mm/min，并记录模型的负荷-位移曲线。

试验中测得负荷-位移曲线如图8-11所示，由图可知，整个压缩过程分为弹性变形、稳定屈服、密实化三个阶段。在弹性变形阶段，负荷与位移近似呈线性关系，此时去除负载模型将恢复原状；如果负荷继续增大，当其超过模型的最大抗压强度后，则将发生压溃现象。在稳定屈服阶段，模型已被压溃，此时发生的是不可恢复的塑性变形，在该过程中模型的内部结构单元被逐层挤压，负荷产生不断振荡；为了方便、合理对该阶段的负荷进行描述，通常取该阶段的平均负荷来衡量该阶段负荷值的大小。当模型的内部结构单元被完全挤压，可压缩空间几乎为零，此时进入致密化阶段，该阶段应力值大幅度增加，模型完全实密化。

表1压缩试验测得数据

对于一个打印模型内部结构的抗压缩性能而言，通常由其最大抗压强度和稳定屈服阶段的平均承受载荷来衡量，而对于密实化阶段模型内部结构已彻底失效，内部结构对模型的力学性能不在起作用。因此，在表1中只对每个试件的最大抗压负荷和稳定屈服阶段的平均承受载荷进行记录。

表2本实施例的不同参数下路径自身比较试验结果

实验过程与条件与上述基本一致。

如图12、13所示，是本发明生成的异形结构的路径切层图，可以看到轮廓中由蜂窝状路径单元填充。

本发明不局限于上述实施例。凡采用等同替换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于模型轻量化三维打印的打印路径的生成方法，其特征在于执行如下步骤：

1)根据所述模型的尺寸确定所述模型的最小包围盒；

2)对所述包围盒切片，形成多个相同的切片层；

3)在所述切片层的同平面上建立直角坐标系；

4)以所述切片层在所述直角坐标系的极小值点为起点向所述直角坐标系中填充若干边长为l相互之间间距为d的蜂窝状路径单元，直至整个切片层被完全覆盖为止；

5)根据各切片层的实际填充区域对所述切片层进行裁剪，得到该切片层的打印路径；

各切片层的实际填充区域为所述模型的轮廓与该实际填充区域对应的切片层的相交区域。

2.如权利要求1所述的用于模型轻量化三维打印的打印路径的生成方法，其特征在于：在步骤5)中对切片层进行裁剪时，

a.对于位于该填充层的实际填充区域外部的蜂窝状路径单元，则将其裁剪舍弃；

b.对于位于该填充层的实际填充区域内部的蜂窝状路径单元，则不对其进行裁剪，并保证其原位置不动；

c.对于与该填充层的实际填充区域的边界轮廓相交的蜂窝状路径单元，则根据所述蜂窝状路径单元与该填充层的实际填充区域相交的顶点个数判断进行裁剪操作，保留位于所围区域内的所述蜂窝状路径单元的单元路径段。

3.如权利要求2所述的用于模型轻量化三维打印的打印路径的生成方法，其特征在于：在所述c中，

若蜂窝状路径单元的扫描起点a₀位于实际填充区域外部时，则从所述扫描起点a₀开始遍历所述蜂窝状路径单元的各边，以确定该蜂窝状路径单元的各边与实际填充区域的轮廓交点的次序及个数，并对交点进行编号p_i(i＝1,2,3……)，当i为奇数时，此时蜂窝状路径单元的路径段在实际填充区域内，对该路径段进行保存；当i为偶数时，停止对蜂窝状路径单元的路径段进行保存，如此往复循环，直到该蜂窝状路径单元的各边均被遍历时，该蜂窝状路径单元的裁剪结束；

若蜂窝状路径单元的扫描起点a₀位于实际填充区域内部时，则从所述扫描起点a₀开始，对蜂窝状路径单元的路径段进行保存，并从所述扫描起点a₀开始遍历所述蜂窝状路径单元的各边，以确定该蜂窝状路径单元的各边与实际填充区域的轮廓交点的次序及个数，并对交点进行编号p_i(i＝1,2,3……)，当i为奇数时，停止对蜂窝状路径单元的路径段进行保存；当i为偶数时，再次对蜂窝状路径单元的路径段进行保存，直到i再次为奇数时停止对所述蜂窝状路径单元的路径段进行保存，如此往复循环，当该蜂窝状路径单元的各边均被遍历时，该蜂窝状路径单元裁剪结束。

4.如权利要求1所述的用于模型轻量化三维打印的打印路径的生成方法，其特征在于：在步骤4)中，以所述极小值点为第一个蜂窝状路径单元的定位点，并在所述直角坐标系中生成点阵，所述点阵中各点作为其他蜂窝状路径单元的定位点，所述点阵中各点间距为再在所述定位点处生成其他蜂窝状路径单元，使生成的蜂窝状路径单元能够完全覆盖整个切片层。

5.如权利要求1-4中任一的所述的用于模型轻量化三维打印的打印路径的生成方法，其特征在于：不同蜂窝状路径单元之间的相邻边相互搭接。

6.如权利要求1-4中任一的所述的用于模型轻量化三维打印的打印路径的生成方法，其特征在于：蜂窝状路径单元间的间距d小于组成所述蜂窝状路径单元各边的成型丝材宽度w。

7.如权利要求1-4中任一的所述的用于模型轻量化三维打印的打印路径的分生成方法，其特征在于：以所述蜂窝状路径单元为基础向内偏置λ次形成λ个偏置间距为d的，且与原蜂窝状路径单元同中心的蜂窝状的内偏置路径单元。