CN106985393A - 一种面向3d打印的内部填充优化方法 - Google Patents

Abstract

一种面向3D打印的内部填充优化方法，包括输入待成形件模型和最小壁厚，确定成形方位与切片层厚；获取待成形件的最小成形倾斜角；对实体模型进行切片；按照从上到下的顺序依次根据各切片层的输入轮廓、结合最小成形倾斜角获得对应的内轮廓；所有切片层的填充区域依次序共同组成填充路径，将填充路径输出为3D打印路径文件。本发明的优点在于在保证了可成形性的基础上对实体模型的内部填充区域进行优化，减少了工件的内部填充体积，提高了成形效率、减少了成形材料的耗费。

Description

一种面向3D打印的内部填充优化方法

技术领域

本发明涉及3D打印技术优化方法领域，尤其涉及一种面向3D打印的内部填充优化方法。

背景技术

3D打印技术是直接利用模型的数字文件通过逐层叠加的方式来构造实体的技术，可采用的材料包括多种粉末状金属与高分子材料。由于彻底改变了加工成形模式，3D打印技术可以用来加工传统减材或等材加工方法难以制造的零件，可以提高加工零件的复杂性。此外，3D打印技术简化了加工流程，可由数字化文件直接驱动加工，大大降低了单件试制、小批量个性化定制产品的生产周期与成本。凭借这些优势，3D打印技术已经在建筑设计、医疗辅助、工业模型、复杂结构、零配件、动漫模型等领域都已经有了一定程度的应用。

在3D打印之前需要对数字化三维模型进行一些处理，包括模型的优化、切片以及路径生成几个主要步骤，这些步骤完成从数字化模型到打印机可读取代码之间的转换。与传统加工方法的一个区别是在模型的处理过程中可以通过调整一些工艺参数来改变模型的内部结构以提供更高的设计灵活性与性能提升空间。同时对工艺参数的优化可以提高成形效率与成形件的质量。

虽然3D打印技术带来了诸多传统加工方法所没有的技术优势，但也存在着一些问题，比如成形件的力学性能、表面质量仍然无法与传统制造方法相媲美，因此目前3D打印技术存在着一些需要改进与解决的问题。其中一个棘手的问题就是加工时间过长，特别是在处理大体积的实体零件时，填充内部空间不仅需要花费了很长的加工时间，而且消耗了大部分的成形材料，因此可以考虑通过优化内部结构来减少内部填充的体积。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在保证待成形工件的最小壁厚要求的基础上，利用最小成形倾斜角优化待成形工件的内部结构来减少待成形工件的内部填充体积、节约成形材料的面向3D打印的内部填充优化方法。

一种面向3D打印的内部填充优化方法，包括如下步骤：

步骤1：输入待成形件模型和待成形件的最小壁厚T，确定待加工实体的成形方位与切片层厚t；

步骤2：获取待成形件的最小成形倾斜角θ，其中t为切片层厚，l为上层相对下层能成形的最长突出部分的长度；

步骤3：根据切片层厚t对实体模型进行切片，切片层的总数为其中H为待成形件模型的高度，表示H/t取整；获得二维切片集合；

步骤4：按照从上到下的顺序依次根据各切片层的输入轮廓C_i获得对应的内轮廓C_i-in：

步骤4-1：获取第i层切片层作为当前切片层判断i是否满足或者若是，则将当前切片层的偏移轮廓C_i-offset和内轮廓C_i-in分别置为空，结束步骤4；若否，则提取当前切片层的输入轮廓C_i，进入步骤4-2；

步骤4-2：从第层到第层依次将各切片层的输入轮廓C_i向内偏移距离T、生成偏置轮廓C_i-offset，其中C_i表示第i个切片层的输入轮廓，C_i-offset表示第i个切片层的偏置轮廓，H表示待成形件模型的高度，T表示最小壁厚，t表示切片层厚；

步骤4-3：获取当前切片层的影响层集合

{C_i-[T/t],C_i-[T/t]+1,…,C_i,…C_i+[T/t]-1,C_i+[T/t]}，其中C_i表示第i层切片层的输入轮廓；获取影响层的偏置轮廓集合

{C_{(i-[T/t])offset},C_{(i-[T/t]+1)offset},…,C_i-offset,…C_{(i+[T/t]-1)offset},C_{(i+[T/t])offset}}，其中，C_{(i-[T/t])offset}表示第i-T/t层切片层的偏置轮廓，以此类推；将所有影响层的偏置轮廓定义的区域进行布尔运算，求得的交集区域的轮廓即作为当前切片层的第一内轮廓C_i-in1；

步骤4-4：根据最小成形倾斜角θ生成具有自支撑能力的第二内部轮廓C_i-in2：判断当前切片层的第一内轮廓C_i-in1是否为空，若是则结束步骤4-4，若否，则判断当前切片层的上一层切片层的内轮廓C_(i-1)-in是否为空，若是，则将第一内轮廓C_i-in1向内迭代偏置，偏置距离为t×cotθ，迭代的终止条件为偏置得到的多边形的内切圆半径小于t×cotθ，将该偏置得到的多边形作为当前切片层的第二内部轮廓C_i-in2；若否，则将上一层切片层的内轮廓C_(i-1)-in向内偏置，偏置距离为t×cotθ，将偏置得到的轮廓投影到当前切片层，投影得到的轮廓作为当前切片层的第二内部轮廓C_i-in2；

步骤4-5：将第一内部轮廓C_i-in1和第二内部轮廓C_i-in2进行布尔交运算获得内轮廓C_i-in，

步骤4-6：对输入轮廓C_i和内轮廓C_i-in做布尔差集运算获得当前切片层的填充区域；

步骤4-7：获取第i+1个切片层作为当前切片层，重复步骤4-1到步骤4-7；

步骤5：所有切片层的填充区域依次序共同组成填充路径，将填充路径输出为3D打印路径文件。

进一步，步骤4-6中，获得当前切片层的填充区域后，判断当前切片层的填充区域是否具有厚度小于最小壁厚T的部位，若有，则修正和调整内轮廓C_i-in使填充区域的所有部位的厚度均大于T，以修正和调整后的内轮廓作为当前内轮廓；将当前内轮廓与输入轮廓做布尔差集运算、获得的结果作为当前切片层的填充区域。

进一步，步骤4-6中，对内轮廓进行修正与调整的具体方法是：

步骤4-6-1：判断当前切片层的待填充区域是否由一条封闭的内轮廓定义，若是，则进入步骤步骤4-6-2；若否，则认为该待填充区域由一条以上的内轮廓定义，进入步骤4-6-3；

步骤4-6-2：将内轮廓向外迭代偏置，偏置距离为小于T的常量，迭代终止条件为：该待填充区域的内切圆半径大于T；迭代完成后的内轮廓即为修正与调整后的内轮廓C_i-in；

步骤4-6-3：生成待填充区域的中线轮廓，中线轮廓由待填充区域的中线簇形成，中线簇由输入轮廓和内轮廓之间的中线组成，中线上的任意一点均为输入轮廓与内轮廓的中间点、或者内轮廓与内轮廓的中间点；以T/2为半径的圆生成包络线，包络线与输入轮廓内切，待填充区域的仅由内轮廓定义的部分、以中线上的点作为包络线的圆心，将待填充区域与包络线覆盖的区域做布尔加运算、求得的区域的内轮廓即修正后的内轮廓C_i-in。

本发明使用最小壁厚和最小成形倾斜角计算出内轮廓，将内轮廓和输入轮廓围成的区域作为待填充区域，内轮廓内部的区域无需填充，而非如现有技术中有输入轮廓定义的区域作为待填充区域，使用最小壁厚和最小成形倾斜角参与计算待填充区域，使得待填充区域既能够被顺利加工，也能够充分发挥材料的自支撑能力，在保证了工件的可成形性。

本发明的优点在于：以输入轮廓与内轮廓定义的区域作为切片层的填充区域，在保证了可成形性的基础上对实体模型的内部填充区域进行优化，减少了工件的内部填充体积，提高了成形效率、减少了成形材料的耗费。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为最小成形倾斜角示意图，(a)是切片后的倒金字塔形模型，(b)是最小成形倾斜角。

图3生成第一内轮廓C_i的流程示意图。

图4为生成第二内轮廓C_i2的流程示意图。

图5是生成第二内轮廓的示意图，(a)是将当前切片层的第一内轮廓向内迭代偏置一次的示意图，(b)是将上一切片层的内轮廓向内偏置投影的示意图。

(a)-图5(b)为本发明生成C_i2的两种情况示意图；

图6为一个实施例模型以及进行内部优化后的结果示意图，(a)是实施例使用的待成形件模型，(b)是待成形件模型切片后的示意图，(c)是使用本发明优化后的待成形件模型内部结构示意图；(d)是(c)的一个纵截面示意图。

图7是实施例模型的填充路径示意图，(a)是未使用本发明优化的填充路径示意图，(b)是使用本发明优化后的填充路径示意图。

图8是一条以上内轮廓定义的填充区域由包络线进行修整的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明，以下实施例不构成对本方明的限定。

图1所示为本发明面向3D打印技术的内部填充优化方法的流程图。以附图6(a)中的模型为例，来阐明内部填充优化方法。

步骤1：输入待成形件模型和待成形件的最小壁厚T，确定待加工实体的成形方位与切片层厚t；成形方位如图6(a)所示，层厚设定为0.2mm；

步骤2：获取待成形件的最小成形倾斜角θ，其中t为切片层厚，l为上层相对下层能成形的最长突出部分的长度，如图2(b)所示；

最小成形倾斜角θ是在不添加支撑结构的前提下，使用具体的3D打印工艺与材料加工的结构中倾斜面与水平面的最小夹角。如图2(a)所示的一个倒立金字塔模型。待成形件的最小壁厚T是对模型内部填充进行优化之后，壁厚在强度要求允许下的最小值，在实施例定为5mm。

步骤3：对待成形件模型进行切片，获得二维切片集合；根据步骤1设定的层厚t对模型进行切片，利用一组间隔为t的相互平行的平面集合与模型相交，输出相交的二维轮廓集合，最顶部层片编号为1，越往下编号逐渐增加，最底层编号为[H/t],其中H为模型的高度，[]为取整符号。本例中模型高度70mm，切片后一共有350层，故最底层编号为350。

步骤4：按照从上到下的顺序依次根据各层的输入轮廓C_i获得内轮廓C_i-in，具体步骤如图3所示，阐述如下；

步骤4-1：确定当前层片C_i所处的位置，判断是否满足以下两式

其中，[T/t]为10，[H/t]为350。通过判断i的值进行如下处理

如果判断结果为是，则表明第i层处于模型顶部或底部，为了满足最小壁厚值，这些层需要实体填充而不可以进行优化。则该层的偏移轮廓C_i-offset与内轮廓C_i-in均为空，结束步骤4。如果判断结果为否，进入步骤4-2；

步骤4-2：从第层到第层依次将各切片层的输入轮廓C_i向内偏移距离T、生成偏置轮廓C_i-offset，其中C_i表示第i个切片层的输入轮廓，C_i-offset表示第i个切片层的偏置轮廓，H表示待成形件模型的高度，T表示最小壁厚，t表示切片层厚；

步骤4-3：根据壁厚要求T生成内轮廓C_i-in1，具体步骤如下；

步骤4-3-1：确定第i层的影响层集合；影响层集合由正下方与正上方若干连续层片组成，影响层集合为{C_i-[T/t],C_i-[T/t]+1...C_i...C_i+[T/t]-1,C_i+[T/t]},一共有2[T/t]+1层，本实施例中由于[T/t]＝10，则影响层集合为{C_i-10,C_i-9...C_i...C_i+9,C_i+10}，一共有21层。

步骤4-3-2：对所有影响层的偏置轮廓C_i-offset定义的区域进行布尔运算，求得交集区域的轮廓即为该层的内轮廓C_i-in1；

步骤4-4：根据最小成形倾斜角θ生成内轮廓C_i-in2，具体步骤如图4所示，具体阐述如下：

步骤4-4-1：判断当前层的内轮廓C_i-in1是否为空，如果判断结果为是，则结束步骤4-4；如果判断结果为否，进入步骤4-4-2；

步骤4-4-2：判断当前层的上方层C_(i-1)-in是否为空，如果判断结果为是，则进入步骤4-4-3；如果判断结果为否，进入步骤4-4-4；

步骤4-4-3：将内轮廓C_i-in1向内迭代偏置，偏置距离为t×cotθ，其中t为切片层厚，θ为可成形最小倾斜角，迭代的终止条件是偏置得到多边形内切圆的半径小于t×cotθ；将该偏置轮廓作为第i层的内轮廓C_i-in2。具体如图5(a)所示；

步骤4-4-4：将轮廓C_(i-1)-in向内偏置，偏置距离为t×cotθ，然后将其投影至第i层，得到第i层的内轮廓C_i-in2。具体如图5(b)所示；

步骤4-5：将C_i-in1与C_i-in2进行布尔交运算获得内轮廓C_i-in；

步骤4-6：对C_i与C_i-in进行布尔差集运算获得当前层的填充区域，判断当前切片层的填充区域是否具有厚度小于最小壁厚T的部位，若有，则修正和调整内轮廓C_i-in使填充区域的所有部位的厚度均大于T，以修正和调整后的内轮廓作为当前内轮廓；将当前内轮廓与输入轮廓做布尔差集运算、获得的结果作为当前切片层的填充区域。

对内轮廓进行修正与调整，具体方法如下：

步骤4-6-1：如果待填充区域中出现厚度小于T的区域，对该厚度小于T的区域进行判断，如果该厚度小于T的区域由一条封闭的内轮廓定义，则进入步骤步骤4-6-2；如果该厚度小于T的区域由一条以上的内轮廓定义，则进入步骤4-6-3；

步骤4-6-2：将该厚度小于T的区域向外迭代偏置，直至其内切圆半径大于T为止；

步骤4-6-3：生成待填充区域A的中线轮廓C_z，中线轮廓C_z由待填充区域A的中线簇形成，中线簇由输入轮廓C_i和内轮廓C_i-in之间的中线组成，中线上的任意一点均为输入轮廓C_i与内轮廓C_i-in的中间点、或者内轮廓C_i-in与内轮廓C_i-in的中间点；以T/2为半径的圆R生成包络线，包络线与输入轮廓C_i内切，待填充区域A的仅由内轮廓C_i-in定义的部分、以中线上的点作为包络线的圆心，将待填充区域A与包络线覆盖的区域做布尔加运算、求得的区域的内轮廓即修正后的内轮廓C_i-in，如图8所示。

步骤5：所有切片层的填充区域依次序共同组成填充路径，将填充路径输出为3D打印路径文件。内部优化后的结果如图6(c)和图6(d)所示，图6(d)为图(c)的一个截面，生成的填充路径如图7所示，其中图7(b)为采用本发明提出的优化方法后的填充路径，图7(a)为未采用本发明优化后生成的填充路径。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的一般技术人员来说，本发明还可以有各种更改和变化。在不脱离本发明原理的前提下，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种面向3D打印的内部填充优化方法，包括如下步骤：

步骤1：输入待成形件模型和待成形件的最小壁厚T，确定待加工实体的成形方位与切片层厚t；

步骤2：获取待成形件的最小成形倾斜角θ，其中t为切片层厚，l为上层相对下层能成形的最长突出部分的长度；

步骤3：根据切片层厚t对实体模型进行切片，切片层的总数为其中H为待成形件模型的高度，表示H/t取整；获得二维切片集合；

步骤4：按照从上到下的顺序依次根据各切片层的输入轮廓C_i获得对应的内轮廓C_i-in：

步骤4-1：获取第i层切片层作为当前切片层判断i是否满足或者若是，则将当前切片层的偏移轮廓C_i-offset和内轮廓C_i-in分别置为空，结束步骤4；若否，则提取当前切片层的输入轮廓C_i，进入步骤4-2；

步骤4-2：从第层到第层依次将各切片层的输入轮廓C_i向内偏移距离T、生成偏置轮廓C_i-offset，其中C_i表示第i个切片层的输入轮廓，C_i-offset表示第i个切片层的偏置轮廓，H表示待成形件模型的高度，T表示最小壁厚，t表示切片层厚；

步骤4-3：获取当前切片层的影响层集合{C_i-[T/t],C_i-[T/t]+1,…,C_i,…C_i+[T/t]-1,C_i+[T/t]}，其中C_i表示第i层切片层的输入轮廓；获取影响层的偏置轮廓集合{C_{(i-[T/t])offset},C_{(i-[T/t]+1)offset},…,C_i-offset,…C_{(i+[T/t]-1)offset},C_{(i+[T/t])offset}}，其中，C_{(i-[T/t])offset}表示第i-T/t层切片层的偏置轮廓，以此类推；将所有影响层的偏置轮廓定义的区域进行布尔运算，求得的交集区域的轮廓即作为当前切片层的第一内轮廓C_i-in1；

步骤4-4：根据最小成形倾斜角θ生成具有自支撑能力的第二内部轮廓C_i-in2：判断当前切片层的第一内轮廓C_i-in1是否为空，若是则结束步骤4-4，若否，则判断当前切片层的上一层切片层的内轮廓C_(i-1)-in是否为空，若是，则将第一内轮廓C_i-in1向内迭代偏置，偏置距离为t×cotθ，迭代的终止条件为偏置得到的多边形的内切圆半径小于t×cotθ，将该偏置得到的多边形作为当前切片层的第二内部轮廓C_i-in2；若否，则将上一层切片层的内轮廓C_(i-1)-in向内偏置，偏置距离为t×cotθ，将偏置得到的轮廓投影到当前切片层，投影得到的轮廓作为当前切片层的第二内部轮廓C_i-in2；

步骤4-5：将第一内部轮廓C_i-in1和第二内部轮廓C_i-in2进行布尔交运算获得内轮廓C_i-in，

步骤4-6：对输入轮廓C_i和内轮廓C_i-in做布尔差集运算获得当前切片层的填充区域；

步骤4-7：获取第i+1个切片层作为当前切片层，重复步骤4-1到步骤4-7；

步骤5：所有切片层的填充区域依次序共同组成填充路径，将填充路径输出为3D打印路径文件。

2.如权利要求1所述的面向3D打印的内部填充优化方法，其特征在在于：步骤4-6中，获得当前切片层的填充区域后，判断当前切片层的填充区域是否具有厚度小于最小壁厚T的部位，若有，则修正和调整内轮廓C_i-in使填充区域的所有部位的厚度均大于T，以修正和调整后的内轮廓作为当前内轮廓；将当前内轮廓与输入轮廓做布尔差集运算、获得的结果作为当前切片层的填充区域。

3.如权利要求2所述的面向3D打印的内部填充优化方法，其特征在在于：步骤4-6中，对内轮廓进行修正与调整的具体方法是：

步骤4-6-1：判断当前切片层的待填充区域是否由一条封闭的内轮廓定义，若是，则进入步骤步骤4-6-2；若否，则认为该待填充区域由一条以上的内轮廓定义，进入步骤4-6-3；

步骤4-6-2：将内轮廓向外迭代偏置，偏置距离为小于T的常量，迭代终止条件为：该待填充区域的内切圆半径大于T；迭代完成后的内轮廓即为修正与调整后的内轮廓C_i-in；

步骤4-6-3：生成待填充区域的中线轮廓，中线轮廓由待填充区域的中线簇形成，中线簇由输入轮廓和内轮廓之间的中线组成，中线上的任意一点均为输入轮廓与内轮廓的中间点、或者内轮廓与内轮廓的中间点；以T/2为半径的圆生成包络线，包络线与输入轮廓内切，待填充区域的仅有内轮廓定义的部分、以中线上的点作为包络线的圆心，将待填充区域与包络线覆盖的区域做布尔加运算、求得的区域的内轮廓即修正后的内轮廓C_i-in。