CN106056672B - 一种基于形状特征的三维打印模型细节区域分区填充方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于形状特征的三维打印模型细节区域分区填充方法，该方法首先对模型分层切片，设定模型细节区域参数；其次按层遍历切片区域并判断每一层切片是否存在细节区域，若存在，根据切片区域的轮廓特征划分出细节区域；最后，通过布尔运算获得每层的细节区域与非细节区域，并对每层的细节区域采用高填充率填充。本发明所提出的基于形状特征的三维打印模型细节区域分区填充方法所得到的打印模型在细节位置强度较高，并且具有打印效率高、节约打印耗材的优点。

Description

一种基于形状特征的三维打印模型细节区域分区填充方法

技术领域

本发明涉及三维打印模型结构优化技术，具体涉及一种三维打印模型细节区域分区填充方法。

背景技术

三维打印技术是快速成型的一种，是在CAD/CAM技术、分层制造技术、计算机数控技术以及材料科学的基础上发展的一项高新制造技术。三维打印的技术原理是将三维模型分层切片，根据每层轮廓信息制定打印轨迹，自下而上，累积成型。三维打印技术具有加工速度快，灵活度高等优点，因此在机械、建筑、生物医学等领域得到广泛的应用。

填充是三维打印模型的内部结构，保证模型顶部在打印过程中不会发生凹陷现象。模型填充结构的打印数据是在切片软件中生成的，切片软件通过将模型分层切片，按层生成模型的打印轨迹。目前的快速成型设备提供了多种填充样式，如直线填充，网格填充，偏置填充，六边形填充，分形曲线填充。为了提高打印效率以及精度，关于填充分别提出了以下方法：专利快速成型机的复合扫描填充方法(申请公布号：CN 101125391 A)将轮廓偏置扫描法与分区扫描法相结合，在制件内、外轮廓临近区域采用轮廓偏置扫描填充，其他区域采用分区扫描填充。专利一种基于扫描倾角优化的3D打印填充路径生成方法(授权公告号：CN 104057611 B)分别根据精度优先原则和效率优先原则确定扫描线的不同倾角，形成内部填充路径。专利基于分区的3D打印填充路径生成方法(申请公布号：CN 104325638 A)通过对分区路径的两次连接，从而减少填充路径的次数以及长度，并适用于多种模型。

但是，目前对于同一打印模型的内部通常采用相同的填充率，这种填充会导致打印模型在细节结构部分强度较低，易于从模型上断裂。虽然提高模型强度的方法是提高模型的填充率，但是对于具有细节结构的大尺寸模型，若采用较高的填充率，则会导致打印时间过长，耗材使用量较多的现象。因此需要提出一种方法，令模型细节区域强度提高的同时减少打印时间，节约耗材。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于形状特征的三维打印模型细节区域分区填充方法，该方法可以根据模型切片形状特征自动划分出打印模型的细节区域，并在模型的细节区域采用较高的填充率，从而提高模型细节区域强度，减少打印时间，节约打印耗材。

为了实现上述目的，本发明提供一种基于形状特征的三维打印模型细节区域分区填充方法，包括如下步骤：

步骤1：将三维打印模型导入到切片软件中进行分层切片；

步骤2：设定三维打印模型细节区域参数值；包括细节面积阈值、细节长度阈值、细节扩充区域层数以及细节区域填充率；

步骤3：按层逐一遍历切片区域；

步骤4：判断每个切片区域是否存在细节区域，若存在，根据切片区域的轮廓特征划分出该切片区域内的细节区域；所述细节区域为细节切片区域或者细节扩充区域或者细节构造区域，其中细节切片区域是将切片区域整体作为细节区域，细节扩充区域是在切片区域内构造细节区域的延伸区域，细节构造区域是在切片区域内部构造的细节区域；

步骤5：对该层中细节区域求并集作为该层的总细节区域；

步骤6：将该层的切片区域作为主体多边形，该层的总细节区域作为剪裁多边形，切片轮廓区域与总细节区域做差集而求出该层的非细节区域；

步骤7：完成所有层的总细节区域与非细节区域的划分后，对每层的总细节区域填充。

所述步骤1中导入的模型文件为.stl文件，将模型文件导入到切片引擎中，通过切片引擎对模型进行分层切片，生成每一层的切片数据。

所述步骤2中所述细节面积阈值、细节长度阈值参数分别为细节区域的判断条件，所述细节扩充区域层数用于构造细节构造区域，所述细节区域填充率高于非细节区域填充率。

所述步骤3中按层对各个切片区域进行判断，通常对于模型的某一切片层，存在多个切片区域，需要对每个切片区域进行判断。

所述步骤4中通过每一个切片区域与细节区域参数值相比较，判断并划分出各层的细节区域，其具体步骤如下：

步骤4.1：从每层第一个切片区域开始遍历。

步骤4.2：对切片区域进行整体判断，判断该切片区域是否全部为细节区域，若是，则将此切片区域作为细节切片区域，然后进行下个切片区域的判断，否则进入到步骤4.3。其中判断切片区域是否为细节切片区域的具体步骤如下步骤4.2.1：求出切片区域面积，若该面积小于细节面积阈值，则该切片区域为细节切片区域；步骤4.2.2：求出切片区域的最小外接矩形，若矩形的短边长度小于细节长度阈值，则该切片区域为细节切片区域。

步骤4.3：判断切片内是否存在细节扩充区域，若切片的上方或者下方存在细节结构切片，则在该层的切片中构造上方或者下方的细节扩充区域，令细节填充形成销状结构，否则进入到步骤4.4。若该层的所在层数为n，则细节扩充区域构造的步骤为：步骤4.3.1：设定的细节区域扩充层数参数为k，判断n+k或者n-k层是否存在细节区域，若存在，则在该层构造出n+k或者n-k层细节区域的投影区域，否则进入到步骤4.4；步骤4.3.2：对该层的细节投影区域向外偏置；步骤4.3.3：切片区域与偏置后投影区域的交集为细节扩充区域。

步骤4.4：判断各切片区域的轮廓个数是否唯一，若唯一，则该切片区域无孔，进入到步骤4.5，若不唯一，则该切片区域有孔，进入到步骤4.6；

步骤4.5：判断该切片区域的轮廓是否为凹多边形，对于凹多边形切片区域，若凹点到轮廓的某边的距离较短，模型可能沿着凹点位置产生断裂。因此若切片区域的轮廓为凹多边形，则标记凹点并判断是否需要构造多边形从而形成凹多边形轮廓的细节构造区域，否则进行下个切片的判断。凹多边形轮廓的细节构造区域的构造步骤为：步骤4.5.1：根据凹点构造以凹点为起点到轮廓各边的垂线段，凹点邻边所在直线与切片轮廓形成交线段以及各个凹点之间的连线线段；步骤4.5.2：将所述垂线段、交线段以及连线线段分别与细节长度阈值相比较，若所述线段长度小于细节长度阈值，则此线段作为分界线；步骤4.5.3：以分界线为中心构造多变形，当所有多边形构造完毕后，对多边形求并，将求并后的多边形与切片区域求交，交集为凹多边形轮廓的细节构造区域。

步骤4.6：若切片区域带孔并且孔轮廓与相邻轮廓之间的距离过小时，孔附近会出现应力集中现象，孔壁结构强度较低。因此，带孔切片区域的细节构造区域应该在孔壁结构较薄的位置构造当孔壁结构较薄的位置构造。带孔切片区域内部的细节构造区域的构造步骤为：步骤4.6.1：以内孔形心为起点构造圆形扫描线，求出每条扫描线分别与孔轮廓和相邻轮廓的最短交线段；步骤4.6.2：将每条交线段与细节长度阈值比较，若交线段长度小于细节长度阈值，则记录下交线段的起点与终点；步骤4.6.3：将记录下的起点与终点作为多边形顶点构造多边形，并对多边形进行偏置；步骤4.6.4：令偏置后的多边形与切片轮廓求交，交集为该孔轮廓的细节构造区域；步骤4.6.5：遍历该切片区域所有内孔，采用上述步骤形成细节构造区域。

所述步骤5中按层求出所述细节切片区域、细节扩充区域以及细节构造区域的并集，形成该层的总细节区域。

所述步骤6中该层的切片轮廓区域作为主多边形，总细节区域作为剪裁多边形，对所述切片轮廓区域与总细节区域做差集，形成该切片层的非细节区域。

所述步骤7中完成所有层的总细节区域与非细节区域的划分后，对总细节区域采用所述细节区域填充率进行填充，非细节区域采用原填充率进行填充；所述细节区域填充率高于原填充率。

与现有技术相比，本发明提出的方法具有以下有益效果：

(1)打印模型细节结构区域强度提高，由于细节区域采用高填充率填充，填充率变高，模型在细节区域强度变高。

(2)打印效率提高，由于细节区域与非细节区域采用不同的填充率，因此非细节区域可以采用较低的填充率，喷头运动的总路径变短，从而令打印效率提高。

(3)节约打印耗材，非细节区域的填充率低，形成的填充结构较为疏松，所用的打印耗材总量减少，节约了打印耗材。

附图说明

图1是一种基于形状特征的三维打印模型细节区域分区填充方法流程图；

图2是按层划分各切片细节区域流程图；

图3是细节扩充结构构造过程示意图；

图4是凹多边形判断与细节区域构造流程示意图；

图5是带孔切片区域细节区域构造流程示意图；

图6是具有细节区域的打印模型以及细节扩充结构构造实例；

图7是具有细节区域的打印模型以及切片的填充实例。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明：

如图1所示，本发明提供一种基于形状特征的三维打印模型细节区域分区填充方法，该方法具体包括如下步骤：

步骤1：将模型导入到切片软件CuraEngine中进行分层切片，模型文件为.stl文件，将模型文件导入到切片引擎中，通过切片引擎对模型进行分层切片，生成每一层的切片区域数据。

步骤2：设定模型细节区域参数值，模型细节区域参数包括细节面积阈值、细节长度阈值、细节扩充区域层数以及细节区域填充率，所述细节面积阈值、细节长度阈值参数分别为细节区域的判断条件，所述细节扩充区域层数用于构造细节构造区域，所述细节区域填充率高于非细节区域填充率。

步骤3：按层逐一遍历每层的切片区域，通常对于模型的某一切片层，存在多个切片区域(如桌子有四个腿，当对桌子腿部进行切片的时候，会形成四个切片图形区域分别为四个腿在该层形成的切片区域)，需要对每个切片区域进行判断。其中该步骤中“遍历”的意思即为先从第一层的第一个切片区域开始判断，当第一层的所有切片区域判断完毕后，再进行第二层的切片区域判断，直到所有层的所有切片区域判断完毕。

步骤4：判断每一层切片区域是否存在细节区域，细节区域包括细节切片区域或者细节扩充区域或者细节构造区域，其中细节切片区域是将切片区域整体作为细节区域，细节扩充区是在切片区域内构造细节区域的延伸区域，细节构造区域是在切片区域内部构造的细节区域。若存在细节区域，根据切片区域的轮廓特征划分出细节区域，其具体判断流程如图2所示：

步骤4.1：从每层第一个切片区域开始遍历；

步骤4.2：对切片区域进行整体判断，判断该切片区域是否全部为细节区域，若是，则将此切片区域作为细节切片区域，然后进行下以切片区域的判断，否则进入到步骤4.3。其中判断切片区域是否为细节切片区域的具体步骤如下：

步骤4.2.1：求出切片区域面积，若该面积小于细节面积阈值，则该切片区域为细节切片区域，切片区域面积采用梯形算法计算，对于边数为n的任意多边形轮廓，若第i条边的起点为P_i(x_i,y_i)，终点为P_i+1(x_i+1,y_i+1)，则多边形的面积为：

步骤4.2.2：求出切片区域的最小外接矩形，若外接矩形的短边长小于细节长度阈值，则该切片区域为细节切片区域。矩形的最短边可采用AABB近似OBB包围盒方法，切片轮廓以初始AABB包围盒的中心为旋转中心，在0～90°之间按照旋转步长旋转。因此，通过旋转过程中AABB包围盒的最短边作为切片区域的最小外接矩形的短边。

步骤4.3：判断该层的是否存在细节扩充区域，细节扩充区域是指当某层切片的上方或者下方存在细节结构切片，则需要在该层的切片中构造上方细节区域的扩充区域，最终令细节填充形成销状结构。如图3所示，该模型结构为突变结构，其中杆L为细节结构，D为细节扩充结构，S为包括细节扩充结构D的非细节区域结构。其中突变层高为L结构与S结构交界位置所在层高，其层数为n′。对于扩充结构D中的第n层切片(n取正整数)，在其上方的第n+k层为细节结构L(k取正整数)，因此第n层的细节扩充区域构造方法如下：取第n+k层细节区域M，细节区域在第n层的投影为M′。对M′偏置，偏置距离为d_n，则第n层的细节扩充区域为M′偏置区域与第n层的轮廓区域的交集N_d。因此层数为n的切片层细节扩充区域构造其具体步骤如下：

步骤4.3.1：设定细节区域扩充层数为k，判断n+k或者n-k层是否存在细节区域，若存在，则在该层构造出n+k或者n-k层细节区域的投影区域，否则进入到步骤4.4；

步骤4.3.2：对该层的细节投影区域向外偏置；

步骤4.3.3：将切片区域作为主多边形，偏置后投影区域作为剪裁多边形，轮廓区域与偏置后投影区域的交集为细节扩充区域；

步骤4.4：判断切片区域的轮廓个数是否唯一，若唯一，则该切片无孔，进入到步骤4.5，若不唯一，则该切片轮廓有孔，进入到步骤4.6；

步骤4.5：判断该切片区域的轮廓是否为凹多边形，若是，则标记凹点并判断是否需要构造多边形从而形成凹多边形轮廓的细节构造区域，否则进行下个切片的判断。凹多边形轮廓的细节构造区域的构造步骤为：

步骤4.5.1：根据凹点构造以凹点为起点到轮廓各边的垂线段，凹点邻边所在直线与切片轮廓形成交线段以及各个凹点之间的连线线段；

步骤4.5.2：将所述垂线段、交线段以及连线线段分别与细节长度阈值相比较，若所述线段长度小于细节长度阈值，则此线段作为分界线，如图4(a)所示，切片形成分界线L₁,L₂,L₃；

步骤4.5.3：如图4(b)所示，分别以分界线L₁,L₂,L₃为中心构造多边形E₁,E₂,E₃，如图4(c)所示，对多边形E₁,E₂,E₃求并形成区域E_d，如图4(d)所示区域E_d与凹多边形切片之间的交集作为最终的凹多边形轮廓的细节构造区域；

步骤4.6：若切片区域带孔，当孔轮廓与相邻轮廓之间的距离过小时，由于孔附近会出现应力集中现象，孔壁结构强度较低，因此细节构造区域应该在孔壁结构较薄的位置构造。构造带孔切片的细节构造区域的具体步骤为：

步骤4.6.1：如图5(a)所示，以内孔形心为起点构造圆形扫描线，求出每条扫描线分别与孔轮廓和相邻轮廓的最短交线段；

步骤4.6.2：将每条交线段与细节长度阈值比较，若交线段长度小于细节长度阈值，则记录下交线段的起点与终点，如图5(b)所示，求得交线段分别为L_h1,L_h2,L_h3；

步骤4.6.3：如图5(c)所示，根据记录下的起点与终点构造多边形，并对多边形进行偏置，形成E_h；

步骤4.6.4：如图5(d)所示，令偏置后的多边形与切片轮廓求交，交集为该孔轮廓的细节构造区域；

步骤4.6.5：遍历该切片区域所有内孔，采用上述步骤形成细节构造区域。

步骤5：按层求出所述细节切片区域、细节扩充区域以及细节构造区域的并集，作为该层的细节区域；

步骤6：将该层的切片区域作为主体多边形，细节区域作为剪裁多边形，求得切片轮廓区域与细节区域的差集，形成该层的非细节区域；

步骤7：完成所有层的总细节区域与非细节区域的划分后，对细节区域采用所述细节区域填充率进行填充，非细节区域采用原填充率进行填充。

具体实施实例如图6与图7所示：

如图6所示狗模型，狗模型的腿部可视为细节区域。由于狗模型中腿结构与身体结构相连，因此可以验证细节填充区域向上扩充的效果，其中非细节填充区域的填充率为10％，细节填充区域的填充率为40％。采用模型切片的第70层，第78层以及第86层。所选取的三个切片层分别有以下结构特点：第70层腿部与身体相离的切片层，第78层为腿部与身体部分刚接触的切片层，第86层的为腿部与身体已经合并的切片层。从第70层切片结果可以看出，腿部为小面积轮廓细节填充区域，在腿部的切片轮廓区域填充率变高。从第70层到第78层是腿部与身体部分由相离到相交的过程，从第78层切片结果可知，对于狗模型身体的切片层，若下方具有细节填充区域，则在该层中仍会存在细节区域，并且细节区域的面积会增大，从而验证填充区域的向上扩充的效果；

如图7所示打印样件组，包括圆柱棒、楔形结构、多边形块以及六边形孔块，验证切片细节区域划分情况。对样件组同时进行打印，其中非细节填充区域的填充率为10％，细节填充区域的填充率为40％，采用各模型的第46层。从图中可知，基于形状特征的三维打印模型细节区域分区填充方法有效的划分了细节区域，并且在细节区域进行高密度填充。

Claims (7)

1.一种基于形状特征的三维打印模型细节区域分区填充方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1：将三维打印模型导入到切片软件中进行分层切片；

步骤2：设定三维打印模型细节区域参数值；包括细节面积阈值、细节长度阈值、细节扩充区域层数以及细节区域填充率；

步骤3：按层逐一遍历切片区域；

步骤4：判断每个切片区域是否存在细节区域，若存在，根据切片区域的轮廓特征划分出该切片区域内的细节区域；所述细节区域为细节切片区域或者细节扩充区域或者细节构造区域，其中细节切片区域是将切片区域整体作为细节区域，细节扩充区域是在切片区域内构造细节区域的延伸区域，细节构造区域是在切片区域内部构造的细节区域；

步骤5：对该层中细节区域求并集作为该层的总细节区域；

步骤6：将该层的切片区域作为主体多边形，该层的总细节区域作为剪裁多边形，切片区域与总细节区域做差集而求出该层的非细节区域；

步骤7：完成所有层的总细节区域与非细节区域的划分后，对每层的总细节区域填充。

2.根据权利要求1所述的基于形状特征的三维打印模型细节区域分区填充方法，其特征在于步骤2中，所述细节扩充区域层数用于构造细节构造区域，所述细节区域填充率高于非细节区域填充率。

3.根据权利要求1所述的基于形状特征的三维打印模型细节区域分区填充方法，其特征在于步骤4，通过每一个切片区域与细节区域参数值的比较，划分出各层的细节区域，其步骤如下：

步骤4.1：从每层第一个切片区域开始遍历；

步骤4.2：对切片区域进行整体判断，判断该切片区域是否全部为细节区域，若是，则将此切片区域作为细节切片区域，然后进行下个切片区域的判断，否则进入到步骤4.3；

步骤4.3：判断切片内是否存在细节扩充区域，若切片的上方或者下方存在细节结构切片，则在该层的切片中构造上方或者下方的细节扩充区域，令细节填充形成销状结构，否则进入到步骤4.4；

步骤4.4：判断各切片区域的轮廓个数是否唯一，若唯一，则该切片区域无孔，进入到步骤4.5，若不唯一，则该切片区域有孔，进入到步骤4.6；

步骤4.5：判断该切片区域的轮廓是否为凹多边形，若是，则标记凹点并判断是否需要构造多边形从而形成凹多边形轮廓的细节构造区域，否则进行下个切片的判断；

步骤4.6：若该切片区域带孔，在孔壁结构中壁厚小于细节长度阈值的位置形成细节构造区域。

4.根据权利要求3所述的基于形状特征的三维打印模型细节区域分区填充方法，其特征在于，步骤4.2中，判断切片区域是否为细节切片区域的步骤如下：

步骤4.2.1：求出切片区域面积，若该面积小于细节面积阈值，则该切片区域为细节切片区域；

步骤4.2.2：求出切片区域的最小外接矩形，若矩形的短边长度小于细节长度阈值，则该切片区域为细节切片区域。

5.根据权利要求3所述的基于形状特征的三维打印模型细节区域分区填充方法，其特征在于，步骤4.3中，若该层的所在层数为n，则细节扩充区域构造的步骤为：

步骤4.3.1：设定的细节区域扩充层数参数为k，判断n+k或者n-k层是否存在细节区域，若存在，则在该层构造出n+k或者n-k层细节区域的投影区域，否则进入到步骤4.4；

步骤4.3.2：对该层的细节投影区域向外偏置；

步骤4.3.3：将切片区域与偏置后投影区域的交集为细节扩充区域。

6.根据权利要求3所述的一种基于形状特征的三维打印模型细节区域分区填充方法，其特征在于，步骤4.5中，凹多边形轮廓的细节构造区域的构造步骤为：

步骤4.5.1：根据凹点构造以凹点为起点到轮廓各边的垂线段、凹点邻边所在直线与切片轮廓形成交线段以及各个凹点之间的连线线段；

步骤4.5.2：将所述垂线段、交线段以及连线线段分别与细节长度阈值相比较，若所述线段长度小于细节长度阈值，则此线段作为分界线；

步骤4.5.3：以分界线为中心构造多变形，当所有多边形构造完毕后，对多边形求并，将求并后的多边形与切片区域多边形求交，交集为凹多边形轮廓的细节构造区域。

7.根据权利要求3所述的一种基于形状特征的三维打印模型细节区域分区填充方法，其特征在于，步骤4.6中，带孔切片区域内部的细节构造区域的构造步骤为：

步骤4.6.1：以内孔形心为起点构造圆形扫描线，求出每条扫描线分别与孔轮廓和相邻轮廓的最短交线段；

步骤4.6.2：将每条交线段与细节长度阈值比较，若交线段长度小于细节长度阈值，则记录下交线段的起点与终点；

步骤4.6.3：将记录下的起点与终点作为多边形顶点构造多边形，并对多边形进行偏置；

步骤4.6.4：令偏置后的多边形与切片轮廓求交，交集为该孔轮廓的细节构造区域；

步骤4.6.5：遍历该切片区域所有内孔，采用上述步骤形成细节构造区域。