CN106903873A - 基于扫描扫描线倾角优化的3d打印填充路径生成方法 - Google Patents

基于扫描扫描线倾角优化的3d打印填充路径生成方法 Download PDF

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朱平平
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    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y50/00—Data acquisition or data processing for additive manufacturing

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  • Materials Engineering (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于扫描扫描线倾角优化的3D打印填充路径生成方法具体包括以下步骤：a、根据3D打印设备以及打印精度要求确定合适的填充路径间距和层厚，并根据层厚再利用MagicRP软件得到需加工实体的SLC文件；b、以填充路径间距作为偏置距离生成轮廓偏置路径，并将最内层偏置路径进行偏置2‑4圈得到偏置多边形；所述偏置多边形最内层偏置路径为一次偏置所得到；c、根据已确定的层厚以及打印材料强度特性，确定层数阈值C1，对需加工实体进行如下判断。本发明方法对生成平行往复填充路径过程中的扫描线倾角进行优化，大大提升了加工效率和打印精度，同时缩短了打印时间，节省了原料，该方法具有简单、有效、通用性好的特点。

Description

基于扫描扫描线倾角优化的3D打印填充路径生成方法
技术领域
本发明涉及3D打印技术路径生成方法技术领域，尤其涉及一种基于扫描扫描线倾角优化的3D打印填充路径生成方法。
背景技术
3D打印技术先利用计算机辅助设计软件构建或者通过反向工程获得三维实体模型，再将三维模型通过分层软件生成逐层的截面，以逐层加工的方式获得三维实体。由于打印过程中是用液体态、粉状会或者片状的材料实现截面的逐层加工，任何形状的物品都可以由该技术加工。因此在一些传统加工技术无法完成的领域，3D打印技术发展迅速，如在建筑、航空航天、机械、生物医学等领域均得到较为广泛的应用。虽然3D打印可以缩短产品的研发周期和降低生产成本，但由于一个模型一般会拥有数量很大的层数，而每个层片的填充都需要耗费一定的喷涂填充时间，如何提高打印效率是3D打印的关键技术之一。同时，由于3D打印技术的原理是堆积成型，填充时不可避免地产生过填充或者是欠填充的情况，从而影响了成型精度，如何通过优化填充路径来减少这些过填充\欠填充一直都是难题。
目前常用的3D打印填充路径主要包括两种。一种是平行往复直线路径，这种路径的特点是路径的主体部分由大量等距平行的直线段组成，因此填充效率较高，同时路径生成算法简单可靠，生成路径速度快；问题是由于存在大量的路径连接拐角，拐角处的填充精度较差。另外一种是轮廓平行路径，这种路径由于避免了大量拐角的出现，填充精度较高，并且能够较好地避免成型过程中的成型材料应力集中等问题；但是对于型腔较多的复杂零件，这种路径生成算法就要处理轮廓偏置后出现的自相交、互相交等问题，涉及多边形布尔运算问题，使算法相对复杂，路径生成速度较慢，并且生成的路径轨迹中存在大量的曲线，填充效率低下。目前已有的路径生成方法基本是将以上两种路径相结合，在截面轮廓边缘采用轮廓平行路径，以保证表面成型精度，而对于内部填充，采用平行往复直线路径，以提高填充效率。
但是目前的平行往复直线路径生成过程中都没有考虑扫描线倾角对加工效率和打印精度的影响，从而忽略了对扫描线倾角的优化，这在一定程度上限制了3D打印技术的效率和精度的提升，这样会导致3D打印技术很难满足各领域对高效率高精度的要求。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种基于扫描扫描线倾角优化的3D打印填充路径生成方法。
本发明提出的一种基于扫描扫描线倾角优化的3D打印填充路径生成方法，具体包括以下步骤：
a、根据3D打印设备以及打印精度要求确定合适的填充路径间距和层厚，并根据层厚再利用MagicRP软件得到需加工实体的SLC文件；
b、以填充路径间距作为偏置距离生成轮廓偏置路径，并将最内层偏置路径进行偏置2-4圈得到偏置多边形；所述偏置多边形最内层偏置路径为一次偏置所得到；
c、根据已确定的层厚以及打印材料强度特性，确定层数阈值C1，对需加工实体进行如下判断,(1)当需加工实体的SLC文件的层数小于等于2C1，则采用精度优先原则确定扫描线倾角；(2)当需加工实体的SLC文件的层数大于2C1，则底层和顶层的C1层采用精度优先原则确定扫描线倾角；剩余层采用效率优先原则确定扫描线倾角；再根据打印设备参数以及打印工艺参数，确定打印喷头的最大加工速度和加速度；
d、根据步骤c中确定的扫描线倾角进行扫描，再根据扫描线与步骤b中获得的偏置多边形获得交点集合；根据扫描线倾角以及扫描线与偏置多边形的交点生成内部填充路径，获得的交点集合生成m条子路径，m为自然数，若m>1，需要在子路径之间利用过渡路径进行衔接。
优选地，填充时间时间的获得步骤：在[0°，180°]范围内均匀选择n个扫描线倾角θ，其中，0°≤θ≤180°，n为大于1的自然数；对于每一个扫描线倾角θ，生成对应的填充路径，根据最大加工速度和加速度获得相应的速度曲线，从而获得填充时间。
优选地，最小填充时间获得步骤：以扫描线倾角θ作为自变量，填充时间作为变量，将n组数据进行曲线拟合，从拟合曲线上可确定最优的扫描线倾斜角，即为最小填充时间所对应的扫描线倾角。
优选地，所述3D打印设备的填充路径间距在2-7cm，所述层厚为50～120μm。
与现有技术相比较，本发明中的有益效果为：
1.在采用平行往复直线路径和轮廓平行路径相结合的基础上，对平行往复直线路径生成过程中的扫描线倾角进行优化，较现有的主观确定倾斜角方法可以充分考虑倾斜角对加工效率和打印精度的影响，能够通过对扫描线倾角的优化来提高以效率优先层片的加工效率，同时也可以提高以精度优先层片的加工精度，可以满足不同加工场合的具体要求。
2.采用函数的性质，以扫描线倾角θ作为自变量，填充时间作为变量，将n组数据进行曲线拟合，从拟合曲线上可确定最优的扫描线倾斜角，可以在同一个模型的不同部分采用不同的优先内容，从而获得一个模型的优化填充路径。本发明方法对生成平行往复填充路径过程中的扫描线倾角进行优化，大大提升了加工效率和打印精度，，同时缩短了打印时间，节省了原料，该方法具有简单、有效、通用性好的特点。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步解说。
实施例一
a、根据3D打印设备以及打印精度要求确定合适的填充路径间距和层厚，并根据层厚再利用MagicRP软件得到需加工实体的SLC文件；
b、以填充路径间距作为偏置距离生成轮廓偏置路径，并将最内层偏置路径进行偏置2-4圈得到偏置多边形；所述偏置多边形最内层偏置路径为一次偏置所得到；
c、根据已确定的层厚以及打印材料强度特性，确定层数阈值C1，对需加工实体进行如下判断,(1)当需加工实体的SLC文件的层数小于等于2C1，则采用精度优先原则确定扫描线倾角；(2)当需加工实体的SLC文件的层数大于2C1，则底层和顶层的C1层采用精度优先原则确定扫描线倾角；剩余层采用效率优先原则确定扫描线倾角；再根据打印设备参数以及打印工艺参数，确定打印喷头的最大加工速度和加速度；
d、根据步骤c中确定的扫描线倾角进行扫描，再根据扫描线与步骤b中获得的偏置多边形获得交点集合；根据扫描线倾角以及扫描线与偏置多边形的交点生成内部填充路径，获得的交点集合生成m条子路径，m为自然数，若m>1，需要在子路径之间利用过渡路径进行衔接。
在[0°，180°]范围内均匀选择n个扫描线倾角θ，其中，0°≤θ≤180°，n为大于1的自然数；对于每一个扫描线倾角θ，生成对应的填充路径，根据最大加工速度和加速度获得相应的速度曲线，从而获得填充时间；再以扫描线倾角θ作为自变量，填充时间作为变量，将n组数据进行曲线拟合，从拟合曲线上可确定最优的扫描线倾斜角，即为最小填充时间所对应的扫描线倾角。
3D打印设备的填充路径间距在2cm，所述层厚为50μm。
实施例二
a、根据3D打印设备以及打印精度要求确定合适的填充路径间距和层厚，并根据层厚再利用MagicRP软件得到需加工实体的SLC文件；
b、以填充路径间距作为偏置距离生成轮廓偏置路径，并将最内层偏置路径进行偏置2-4圈得到偏置多边形；所述偏置多边形最内层偏置路径为一次偏置所得到；
c、根据已确定的层厚以及打印材料强度特性，确定层数阈值C1，对需加工实体进行如下判断,(1)当需加工实体的SLC文件的层数小于等于2C1，则采用精度优先原则确定扫描线倾角；(2)当需加工实体的SLC文件的层数大于2C1，则底层和顶层的C1层采用精度优先原则确定扫描线倾角；剩余层采用效率优先原则确定扫描线倾角；再根据打印设备参数以及打印工艺参数，确定打印喷头的最大加工速度和加速度；
d、根据步骤c中确定的扫描线倾角进行扫描，再根据扫描线与步骤b中获得的偏置多边形获得交点集合；根据扫描线倾角以及扫描线与偏置多边形的交点生成内部填充路径，获得的交点集合生成m条子路径，m为自然数，若m>1，需要在子路径之间利用过渡路径进行衔接。
在[0°，180°]范围内均匀选择n个扫描线倾角θ，其中，0°≤θ≤180°，n为大于1的自然数；对于每一个扫描线倾角θ，生成对应的填充路径，根据最大加工速度和加速度获得相应的速度曲线，从而获得填充时间；再以扫描线倾角θ作为自变量，填充时间作为变量，将n组数据进行曲线拟合，从拟合曲线上可确定最优的扫描线倾斜角，即为最小填充时间所对应的扫描线倾角。
3D打印设备的填充路径间距在4cm，所述层厚为80μm。
实施例三
a、根据3D打印设备以及打印精度要求确定合适的填充路径间距和层厚，并根据层厚再利用MagicRP软件得到需加工实体的SLC文件；
b、以填充路径间距作为偏置距离生成轮廓偏置路径，并将最内层偏置路径进行偏置2-4圈得到偏置多边形；所述偏置多边形最内层偏置路径为一次偏置所得到；
c、根据已确定的层厚以及打印材料强度特性，确定层数阈值C1，对需加工实体进行如下判断,(1)当需加工实体的SLC文件的层数小于等于2C1，则采用精度优先原则确定扫描线倾角；(2)当需加工实体的SLC文件的层数大于2C1，则底层和顶层的C1层采用精度优先原则确定扫描线倾角；剩余层采用效率优先原则确定扫描线倾角；再根据打印设备参数以及打印工艺参数，确定打印喷头的最大加工速度和加速度；
d、根据步骤c中确定的扫描线倾角进行扫描，再根据扫描线与步骤b中获得的偏置多边形获得交点集合；根据扫描线倾角以及扫描线与偏置多边形的交点生成内部填充路径，获得的交点集合生成m条子路径，m为自然数，若m>1，需要在子路径之间利用过渡路径进行衔接。
在[0°，180°]范围内均匀选择n个扫描线倾角θ，其中，0°≤θ≤180°，n为大于1的自然数；对于每一个扫描线倾角θ，生成对应的填充路径，根据最大加工速度和加速度获得相应的速度曲线，从而获得填充时间；再以扫描线倾角θ作为自变量，填充时间作为变量，将n组数据进行曲线拟合，从拟合曲线上可确定最优的扫描线倾斜角，即为最小填充时间所对应的扫描线倾角。
3D打印设备的填充路径间距在5cm，所述层厚为100μm。
实施例四
a、根据3D打印设备以及打印精度要求确定合适的填充路径间距和层厚，并根据层厚再利用MagicRP软件得到需加工实体的SLC文件；
b、以填充路径间距作为偏置距离生成轮廓偏置路径，并将最内层偏置路径进行偏置2-4圈得到偏置多边形；所述偏置多边形最内层偏置路径为一次偏置所得到；
c、根据已确定的层厚以及打印材料强度特性，确定层数阈值C1，对需加工实体进行如下判断,(1)当需加工实体的SLC文件的层数小于等于2C1，则采用精度优先原则确定扫描线倾角；(2)当需加工实体的SLC文件的层数大于2C1，则底层和顶层的C1层采用精度优先原则确定扫描线倾角；剩余层采用效率优先原则确定扫描线倾角；再根据打印设备参数以及打印工艺参数，确定打印喷头的最大加工速度和加速度；
d、根据步骤c中确定的扫描线倾角进行扫描，再根据扫描线与步骤b中获得的偏置多边形获得交点集合；根据扫描线倾角以及扫描线与偏置多边形的交点生成内部填充路径，获得的交点集合生成m条子路径，m为自然数，若m>1，需要在子路径之间利用过渡路径进行衔接。
在[0°，180°]范围内均匀选择n个扫描线倾角θ，其中，0°≤θ≤180°，n为大于1的自然数；对于每一个扫描线倾角θ，生成对应的填充路径，根据最大加工速度和加速度获得相应的速度曲线，从而获得填充时间；再以扫描线倾角θ作为自变量，填充时间作为变量，将n组数据进行曲线拟合，从拟合曲线上可确定最优的扫描线倾斜角，即为最小填充时间所对应的扫描线倾角。
3D打印设备的填充路径间距在7cm，所述层厚为120μm。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于扫描扫描线倾角优化的3D打印填充路径生成方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
a、根据3D打印设备以及打印精度要求确定合适的填充路径间距和层厚，并根据层厚再利用MagicRP软件得到需加工实体的SLC文件；
b、以填充路径间距作为偏置距离生成轮廓偏置路径，并将最内层偏置路径进行偏置2-4圈得到偏置多边形；所述偏置多边形最内层偏置路径为一次偏置所得到；
c、根据已确定的层厚以及打印材料强度特性，确定层数阈值C1，对需加工实体进行如下判断,(1)当需加工实体的SLC文件的层数小于等于2C1，则采用精度优先原则确定扫描线倾角；(2)当需加工实体的SLC文件的层数大于2C1，则底层和顶层的C1层采用精度优先原则确定扫描线倾角；剩余层采用效率优先原则确定扫描线倾角；再根据打印设备参数以及打印工艺参数，确定打印喷头的最大加工速度和加速度；
d、根据步骤c中确定的扫描线倾角进行扫描，再根据扫描线与步骤b中获得的偏置多边形获得交点集合；根据扫描线倾角以及扫描线与偏置多边形的交点生成内部填充路径，获得的交点集合生成m条子路径，m为自然数，若m>1，需要在子路径之间利用过渡路径进行衔接。
2.根据权利要求1所述的一种基于扫描扫描线倾角优化的3D打印填充路径生成方法，其特征在于，填充时间时间的获得步骤：在[0°，180°]范围内均匀选择n个扫描线倾角θ，其中，0°≤θ≤180°，n为大于1的自然数；对于每一个扫描线倾角θ，生成对应的填充路径，根据最大加工速度和加速度获得相应的速度曲线，从而获得填充时间。
3.根据权利要求2所述的一种基于扫描扫描线倾角优化的3D打印填充路径生成方法，其特征在于，最小填充时间获得步骤：以扫描线倾角θ作为自变量，填充时间作为变量，将n组数据进行曲线拟合，从拟合曲线上可确定最优的扫描线倾斜角，即为最小填充时间所对应的扫描线倾角。
4.根据权利要求1所述的一种基于扫描扫描线倾角优化的3D打印填充路径生成方法，其特征在于，所述3D打印设备的填充路径间距在2-7cm，所述层厚为50～120μm。
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