CN106202687A - 一种基于模型面积变化率的自适应分层处理方法 - Google Patents

一种基于模型面积变化率的自适应分层处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于模型面积变化率的自适应分层处理方法，包括以下步骤：导入STL模型并建立模型拓扑结构；以最高精度对模型进行均匀分层切片，获得二维多边形轮廓层并求出切片后每层多边形的面积；对每层多边形的面积进行求导得出模型的面积变化率；根据模型的面积变化率与打印精度的关系，将求得的面积变化率与阈值进行比较，得出模型沿打印方向的打印精度分布情况；计算模型打印所需的分层层厚数据，并使用四舍五入法进行处理，生成自适应分层层厚数据；切片引擎读入分层层厚数据，对模型进行自适应层厚切片，得到打印所需的gcode文件。本发明在保证了模型细节特征的同时，又提高了模型的成型速度，有效的提高了打印所需时间。

Description

一种基于模型面积变化率的自适应分层处理方法
技术领域
本发明涉及一种基于模型面积变化率的自适应分层处理方法，属于计算机集成制造技术领域。
背景技术
3D打印技术，是一种快速成型制造技术，又叫增材制造技术(AdditiveManufacturing)，主要是利用塑料丝、金属粉末、光敏树脂、细胞等为原材料，通过计算机或者扫描仪获取三维数据，将数据通过串口或者无线等方式传给3D打印机，3D打印机经过高温融化、激光照射、化学剂凝固等方式对原材料进行分层加工、层层叠加的方式制造出实体模型。3D打印机又被称为万能制造机，《经济学人》杂志2012年将3D打印技术称为“第三次工业革命的重要标志”。目前3D打印技术已被应用到航空航天、建筑、工业设计、教育、医疗、服装、汽车等各个领域。
3D打印存在多种原理技术，其中熔融沉积成形技术由于其简单方便及相对较低的成本，使得基于熔融沉积成形技术的3D打印机使用最广。熔融沉积型(Fused DepositionModeling)三维打印技术是3D打印技术的一种，主要使用ABS、PLA等材料，基本原理，如图1所示，是加热喷头在计算机的控制下，将热塑性聚合物材料加热熔化,使其在熔融状态下从喷嘴挤出,靠高温挤出丝材的自粘结性逐层堆积成形。其打印过程包括以下步骤，如图2所示，首先使用建模、扫描等方式获取模型，将模型导入切片软件；根据模型形状，设置相应支撑、填充、打印层高等参数，对模型进行切片；切片后得到3D打印机可以读取的gcode文件进行打印；得到打印实物模型，对其进行去支撑、底座，有的需要抛光处理等后期处理而得到最终需要的实体模型。其中切片处理环节直接决定了模型的成型时间、所需耗材、成型效果，是打印过程中尤为重要的环节。
切片过程即模型切片路径生成的过程，如图3所示。目前市场上有多个3D打印切片软件，其中Cura、Sli3r、Makeware等运用较多，这些软件的核心技术都在切片处理模块，即切片引擎。而目前这些切片软件都是对模型进行同一层厚的均匀切片，这使得在打印过程中产生了成型速度和成型精度的矛盾，当对模型细节较高，需要打印高精度时，需减小模型层厚的设置，使得打印的层数增加，导致模型成型耗时增加；当需要快速获得实体模型时，不得不减少模型的成型时间，减少成型时间即要增大层厚的设置，使得模型成型后表面粗糙，精度无法保证。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种基于模型面积变化率的自适应分层处理方法，在保证了模型细节特征的同时，又提高了模型的成型速度，有效的提高了打印所需时间，还极大的节省了打印材料。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
本发明的一种基于模型面积变化率的自适应分层处理方法，包括以下几个步骤：
步骤A1：导入STL模型，根据所述STL模型中三角面片的顶点和面片法矢量信息建立STL模型的拓扑结构；
步骤A2：以打印机能打印的最高精度对所述STL模型进行均匀分层切片，获得封闭的二维多边形轮廓层，并求出切片后每层多边形的面积；
步骤A3：获取每层多边形的面积，并对每层多边形的面积进行求导得出所述STL模型的面积变化率diff_area；
步骤A4：根据打印机能打印的精度值(一般打印机能打印的精度是高中低三个精度，所以设置2个阈值，高>Threshold[2]>中>Threshold[1]>低)设定相应面积变化率的阈值为Threshold[i]，将步骤A3中求得的面积变化率diff_area的绝对值与阈值Threshold[i]进行比较，得出所述STL模型沿打印方向的打印精度分布情况；
步骤A5：计算所述STL模型打印所需的分层层厚数据，并使用四舍五入法进行处理，生成自适应分层层厚数据；
步骤A6：切片引擎读入步骤A5得到的自适应分层层厚数据，对所述STL模型进行自适应层厚切片，从而得到打印所需的gcode文件。
步骤A2中，切片后每层多边形面积的计算方法如下：
步骤A21：以最高精度对所述STL模型进行均匀分层切片，获得封闭的二维多边形轮廓层，设三角网格曲面为M＝(vi,vj,…vn)，M中的任意顶点为vi＝(xi,yi,zi)，获取所述STL模型的成型方向的最大高度为Height，所述STL模型打印的最高精度为PrecisionMax，则所述STL模型需分成的层数LayerCount＝Height/PrecisionMax，设LayerZ表示当前切面的距离打印平台的高度；对所述STL模型进行均匀切片，让Z＝LayerZ平面与各三角面片求交；求得各切面与三角面片的交点后，对每一层构建多边形，得到二维多边形轮廓层；
步骤A22：根据得到的二维多边形轮廓层，对每一层多边形进行面积计算，求得的面积数组为area_layers。
步骤A3中，所述面积变化率的计算方法如下：
在matlab中，设各层面积数组area_layers为一组输入信号，为了表示所述STL模型在成型方向上形状的变化，对输入信号进行求导运算，即可得到面积变化率diff_area。
步骤A4中，所述STL模型沿打印方向的打印精度分布情况具体通过如下比较规则得到：
①当diff_area＝0时，表示所述STL模型在该对应高度处面积并未发生改变，则表示此部分模型形状稳定，未发生变化，此时采用低精度(打印机的打印精度在软件进行切片设置时一般都是有三种精度：高精度、中精度、低精度)进行打印；
②当|diff_area|<＝Threshold时，表示所述STL模型在此处面积发生了变化，但是面积变化的程度不是非常巨大，此时采用中精度进行打印；
③当|diff_area|>Threshold时，表示所述STL模型在此处面积发生了变化，且面积变化的程度巨大，此时采用高精度进行打印。
步骤A5中，所述自适应分层层厚数据的生成方法如下：
步骤A51：设thickness_diff_area[i]为高精度分层下第i层打印所需的层厚，segment_layer_count为第segmentN分割部分的切片层数，current_layer_count表示已经遍历过的前segmentN-1个部分的总层数；
步骤A52：让thickness_diff_area[i]与thickness_diff_area[i-1]进行比较，如果相等，则表示当前层与上一层使用同一层厚进行切片，判断i是否为最后一层，若是，则转向步骤A55，执行步骤A55后结束循环；若不是，则转向步骤A53；如果不相等，则表示当前层与上一层使用不同层厚进行切片，转步骤A54；
步骤A53：继续读取thickness_diff_area[i+1]，此时i＝i+1，转向步骤A52；
步骤A54：第segmentN分割部分以精度PrecisionMax切片的总层数segmentN_heigh应为当前层数减去前segmentN-1个部分的总层数，即segmentN_heigh＝i-current_layer_count，则第segmentN分割部分的切片层数
segment_layer_count＝(segmentN_heigh*PrecisionMax)/thickness_diff_area[i-1]，其中，PrecisionMax表示精度为PrecisionMax，
segmentN_heigh表示以精度PrecisionMax切片的总层数，转步骤A55；
步骤A55：当前第segmentN分割部分并不能正好被设置的层厚值刚好平分，所以在求第segmentN分割部分的切片层数
segment_layer_count时可能会有余数remainder存在，求得：
remainder＝(segmentN_heigh*PrecisionMax)-thickness_diff_area[i-1]*segment_layer_count；
测试时使用了三种精度作为自适应切片的分层参考，设三种精度为H>M>L，对余数进行处理有如下规则：
①如果remainder>(H-M)/2，则对第segmentN分割部分添加一层H精度的层；
②如果remainder>(M-L)/2，则对第segmentN分割部分添加一层L精度的层；
③如果remainder>L/2，说明余数很小，可直接舍弃；
令segmentN＝segmentN+1，接着遍历下一层，并转步骤A52；
步骤A56：设thickness_distribute为自适应分层层厚数据，根据步骤A54和步骤A55得到各分割部分的自适应分层层数及精度，将其存入数组thickness_distribute，并将其写入到test.txt中。
读入test.txt，将其作为所述STL模型切片时的层厚数据，执行切片引擎进行切片，得到自适应切片生成的gcode文件，该gcode文件可导入3D打印机中进行打印。
本发明通过对模型在成型方向上面积的变化来反应模型的形状的变化，根据面积变化率的大小来确定模型在该处需要打印的层厚值，有效的解决了3D打印时模型成型精度与速度的问题，即精度高则速度慢，而速度快则精度低的问题，本发明设计的方法在保证了模型细节特征的同时，又提高了模型的成型速度，有效的提高了打印所需时间，还极大的节省了打印材料。
附图说明
图1是FDM技术的打印原理(图中，1-1表示热熔材料，1-2表示喷头，1-3表示可移动平台)；
图2是FDM技术的打印过程；
图3是切片路径生成的过程；
图4是本实施例中的模型；
图5是本实施例的面积曲线；
图6是本实施例的面积变化率曲线；
图7是本实施例的打印精度分布情况；
图8是模型分层层厚的数据结构；
图9是边界余数处理方法图；
图10是本实施例的自适应分层后得到的gcode文件。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
参见图4，实施步骤如下：A1：通过建模、扫描等方式获取一个stl格式的三维模型，获取模型的三角面片的顶点和面片法矢量信息，建立其拓扑结构。
A2：以最高精度对模型进行无填充、无支撑、无偏置的均匀分层切片，获得封闭二维多边形轮廓层，并求出切片后每层多边形的面积，如图5所示为本实施例模型的面积曲线。
A3：获取每层多边形的面积，并对其求导得出模型的面积变化率，如图6所示为本实施例模型的面积变化率曲线。
A4：根据模型的面积变化率与打印精度的关系，设定面积变化率的阈值，将面积变化率与阈值进行比较，得出模型沿打印方向的打印精度分布情况，如图7所示。
A5：计算得出模型打印所需的分层层厚数据，其数据结构如图8所示，具体执行过程如下：
A51：设thickness_diff_area[i]为高精度分层下第i层打印所需的层厚，segment_layer_count为第segmentN分割部分的切片层数，current_layer_count表示已经遍历过的前segmentN-1个部分的总层数。
A52：让thickness_diff_area[i]与thickness_diff_area[i-1]进行比较，如果相等，则表示当前层与上一层使用同一层厚进行切片，判断i是否为最后一层，若是，则转步骤A55，执行步骤A55后结束循环；若不是，则转步骤步骤A53。如果不相等，则表示当前层与上一层使用不同层厚进行切片，转步骤A54。
A53：继续读取thickness_diff_area[i+1]，转步骤A52。
A54：第segmentN分割部分以高精度PrecisionMax切片的总层数segmentN_heigh应为当前层数减去前segmentN-1个部分的总层数，即segmentN_heigh＝i-current_layer_count，则第segmentN分割部分的切片层数segment_layer_count＝(segmentN_heigh*PrecisionMax)/thickness_diff_area[i-1]，转步骤A55；
A55：使用四舍五入的方法对精度分界处进行处理，如图9所示，处理规则如下：
本方法测试时使用了三种精度作为自适应切片的分层参考，设三种精度为H>M>L，对余数进行处理有如下规则：
①如果remainder>(H-M)/2，则对第segmentN分割部分添加一层H精度的层；
②如果remainder>(M-L)/2，则对第segmentN分割部分添加一层L精度的层；
③如果remainder>L/2，说明余数很小，可直接舍弃。
A56：生成自适应分层层厚数据：根据步骤A54和步骤A55得到各分割部分的自适应分层层数及精度，将其存入数组thickness_distribute，并将其写入到test.txt中。
A6：切片引擎读入分层层厚数据，对模型进行自适应层厚切片，得到打印所需的gcode文件，如图10所示本实施例的自适应分层后得到的gcode文件，该文件可导入3D打印机中进行打印。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种基于模型面积变化率的自适应分层处理方法，其特征在于，包括以下几个步骤：
步骤A1：导入STL模型，根据所述STL模型中三角面片的顶点和面片法矢量信息建立STL模型的拓扑结构；
步骤A2：以打印机能打印的最高精度对所述STL模型进行均匀分层切片，获得封闭的二维多边形轮廓层，并求出切片后每层多边形的面积；
步骤A3：获取每层多边形的面积，并对每层多边形的面积进行求导得出所述STL模型的面积变化率diff_area；
步骤A4：根据打印机能打印的精度值设定相应面积变化率的阈值为Threshold[i]，将步骤A3中求得的面积变化率diff_area的绝对值与阈值Threshold[i]进行比较，得出所述STL模型沿打印方向的打印精度分布情况；
步骤A5：计算所述STL模型打印所需的分层层厚数据，并使用四舍五入法进行处理，生成自适应分层层厚数据；
步骤A6：切片引擎读入步骤A5得到的自适应分层层厚数据，对所述STL模型进行自适应层厚切片，从而得到打印所需的gcode文件。
2.根据权利要求1所述的基于模型面积变化率的自适应分层处理方法，其特征在于，步骤A2中，切片后每层多边形面积的计算方法如下：
步骤A21：以最高精度对所述STL模型进行均匀分层切片，获得封闭的二维多边形轮廓层，设三角网格曲面为M＝(vi,vj,…vn)，M中的任意顶点为vi＝(xi,yi,zi)，获取所述STL模型的成型方向的最大高度为Height，所述STL模型打印的最高精度为PrecisionMax，则所述STL模型需分成的层数LayerCount＝Height/PrecisionMax，设LayerZ表示当前切面的距离打印平台的高度；对所述STL模型进行均匀切片，让Z＝LayerZ平面与各三角面片求交；求得各切面与三角面片的交点后，对每一层构建多边形，得到二维多边形轮廓层；
步骤A22：根据得到的二维多边形轮廓层，对每一层多边形进行面积计算，求得的面积数组为area_layers。
3.根据权利要求2所述的基于模型面积变化率的自适应分层处理方法，其特征在于，步骤A3中，所述面积变化率的计算方法如下：
在matlab中，设各层面积数组area_layers为一组输入信号，为了表示所述STL模型在成型方向上形状的变化，对输入信号进行求导运算，即可得到面积变化率diff_area。
4.根据权利要求1所述的基于模型面积变化率的自适应分层处理方法，其特征在于，步骤A4中，所述STL模型沿打印方向的打印精度分布情况具体通过如下比较规则得到：
①当diff_area＝0时，表示所述STL模型在该对应高度处面积并未发生改变，则表示此部分模型形状稳定，未发生变化，此时采用低精度进行打印；
②当|diff_area|<＝Threshold时，表示所述STL模型在此处面积发生了变化，但是面积变化的程度不是非常巨大，此时采用中精度进行打印；
③当|diff_area|>Threshold时，表示所述STL模型在此处面积发生了变化，且面积变化的程度巨大，此时采用高精度进行打印。
5.根据权利要求1所述的基于模型面积变化率的自适应分层处理方法，其特征在于，步骤A5中，所述自适应分层层厚数据的生成方法如下：
步骤A51：设thickness_diff_area[i]为高精度分层下第i层打印所需的层厚，segment_layer_count为第segmentN分割部分的切片层数，current_layer_count表示已经遍历过的前segmentN-1个部分的总层数；
步骤A52：让thickness_diff_area[i]与thickness_diff_area[i-1]进行比较，如果相等，则表示当前层与上一层使用同一层厚进行切片，判断i是否为最后一层，若是，则转向步骤A55，执行步骤A55后结束循环；若不是，则转向步骤A53；如果不相等，则表示当前层与上一层使用不同层厚进行切片，转步骤A54；
步骤A53：继续读取thickness_diff_area[i+1]，此时i＝i+1，转向步骤A52；
步骤A54：第segmentN分割部分以精度PrecisionMax切片的总层数segmentN_heigh应为当前层数减去前segmentN-1个部分的总层数，即segmentN_heigh＝i-current_layer_count，则第segmentN分割部分的切片层数
segment_layer_count＝(segmentN_heigh*PrecisionMax)/thickness_diff_area[i-1]，其中，PrecisionMax表示精度为PrecisionMax，
segmentN_heigh表示以精度PrecisionMax切片的总层数，转步骤A55；
步骤A55：当前第segmentN分割部分并不能正好被设置的层厚值刚好平分，所以在求第segmentN分割部分的切片层数
segment_layer_count时可能会有余数remainder存在，求得：
remainder＝(segmentN_heigh*PrecisionMax)-thickness_diff_area[i-1]*segment_layer_count；
测试时使用了三种精度作为自适应切片的分层参考，设三种精度为H>M>L，对余数进行处理有如下规则：
①如果remainder>(H-M)/2，则对第segmentN分割部分添加一层H精度的层；
②如果remainder>(M-L)/2，则对第segmentN分割部分添加一层L精度的层；
③如果remainder>L/2，说明余数很小，可直接舍弃；
令segmentN＝segmentN+1，接着遍历下一层，并转步骤A52；
步骤A56：设thickness_distribute为自适应分层层厚数据，根据步骤A54和步骤A55得到各分割部分的自适应分层层数及精度，将其存入数组thickness_distribute，并将其写入到test.txt中。
6.根据权利要求5所述的基于模型面积变化率的自适应分层处理方法，其特征在于，读入test.txt，将其作为所述STL模型切片时的层厚数据，执行切片引擎进行切片，得到自适应切片生成的gcode文件，该gcode文件可导入3D打印机中进行打印。
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