CN108312548A - 基于模型表面特征混合自适应切片的五轴联动3d打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于模型表面特征混合自适应切片的五轴联动3D打印方法，首先利用计算机辅助设计软件建立制件三维模型，并依据STL文件中的法向量信息将模型表面进行顶面、侧面和底面的划分并根据连续性将模型进行分割；再将各部分模型依据其表面特征分为平面打印的平坦区和空间打印的特征区；将平坦区进行平面切片，按照预设尖角高度值自适应切片，获取路径G代码，若需要支撑则获取支撑部分的G代码；将特征区进行偏移切片获取路径G代码；将各部分路径G代码组合排序，导入五轴联动3D打印机中实现打印。本发明利用五轴联动打印机根据制件表面特征实现空间3D打印，是一种制件表面精度高、结构性能强，节约时间、节省材料的3D打印制造方式。

Description

基于模型表面特征混合自适应切片的五轴联动3D打印方法

技术领域

本发明涉及空间3D打印技术领域，具体涉及一种基于模型表面特征混合自适应切片的五轴联动3D打印方法。

背景技术

3D打印是一种增材制造技术，以数字模型文件为基础，利用计算机将模型切成一系列有厚度的薄片，3D打印设备自下而上地制造出每一层薄片，最后叠加成形出三维的实体。这种制造技术无需传统的刀具或模具，可以实现传统工艺难以或无法加工的复杂结构的制造，并且可以有效简化生产工序，缩短制造周期。

现有的3D打印机多为三自由度，切片方式为平面切片，在制造时，层与层之间会产生阶梯效应，使表面质量下降。对于复杂模型往往需要支撑材料辅助才能打印实体，造成时间的增加和材料的浪费。由于实体沿切片方向的力学性能低于其它方向，对于沿特定方向受力或沿表面形状受力的实体其力学性能往往不能达到要求。此外，喷头的施压方向始终竖直向下，不随模型表面形状改变，也对打印实体的表面质量和力学性能产生影响。

自适应切片技术最初是为了克服阶梯效应和非常精细的几何细节所带来的问题而发展起来的。自适应切片涉及到将零件划分成不同的区域，并根据每个区域的要求使用不同厚度的层和切片方法。在支撑部分这种区域可以使用较厚的层可以节省时间，在高曲率的表面用弯曲的层进行切片，以便有效地捕捉更精细的细节，同时减少阶梯效应，在获得更好强度的同时，减少打印时间。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种基于模型表面特征混合自适应切片的五轴联动3D打印方法，根据模型的特点和表面特征将模型进行划分，将平面切片、曲面切片和自适应切片技术相结合，生成五轴3D打印机所识别的G代码，实现空间打印，是一种制件表面精度高、结构性能强，节约时间、节省材料的3D打印制造方式。

为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于模型表面特征混合自适应切片的五轴联动3D打印方法，包括以下操作步骤：

第一步：利用计算机辅助设计软件建立制件三维模型，并以STL格式存储数据文件；

第二步：将模型置于空间直角坐标系下，根据五轴联动3D打印机的特点，增加绕X轴旋转的A轴，即打印平台摆动轴，以及绕Z轴旋转的C轴，即打印平台旋转轴；

第三步：利用STL文件中各三角面片的法向量与Z轴正方向之间的夹角，识别制件模型的顶面、底面与侧面；

第四步：判断底面和顶面是否连续，若底面不连续但与底面沿Z方向所对应的顶面连续则视为一部分，若底面不连续且与底面沿Z方向所对应的顶面同样不连续，则利用相邻两底面的侧面将模型分割，并确定整体模型打印顺序和各部分模型打印方向；

第五步：将各部分模型再依据其表面特征和其预设表面分层厚度、层数分为平面打印的平坦区和空间打印的特征区；

第六步：将平坦区用垂直于Z轴的平面切片，按照预设尖角高度值自适应切片厚度，获取作为平坦区的路径G代码，同时判断是否需要支撑，若需要支撑则获取支撑的路径G代码；

第七步：将特征区表面按预设厚度进行三角面片偏移切片，提取三角面片的法向量信息作为A轴转向角度，并用一组平行于YOZ面的平面与三角面片相交，平面间隔与预设表面分层厚度相等，生成特征区路径G代码；

第八步：将平坦区、支撑、特征区路径G代码组合排序，导入五轴联动3D打印机主控板中，实现打印。

所述第二步中增加打印机平台A轴和C轴的五轴联动3D打印机能够实现喷头沿成型表面的切向方向运动，其挤出压力在成型表面的法线方向上，并且减少支撑。

所述第三步中的模型划分的具体方法为，夹角角度区分顶面：0°～45°；侧面：45°～135°；底面：135°～180°。

所述第六步中自适应切片的具体方法为：

每层切片之间的夹角，即β定义为：β＝cos^-1(h/t)；

其中h：尖角高度，t：层厚；在β给定条件下，根据h的值，调节每层切片的厚度t。

所述第七步中的三角面片偏移切片的具体方法为：

在空间中要做偏移的三角面片的一个顶点定义为：

其中三角面片的法向量；偏移点在笛卡尔坐标系的参考矢量；d₀：常数；

因为三角面片的顶点由三个具有不同法线方向的平面相交唯一表示，除需偏移的三角面片外，共用此偏移顶点的另两个平面的法向量为有d₁、d₂为常数；

当时，沿三角面片法线向量反方向平移距离t，t即为层厚，有：

建立矩阵[N]＝[N₀ N₁ N₂]^T、[D]＝[d₀-t d₁-t d₂-t]^T、[V]为坐标向量矩阵，有：[N][V]＝[D]；

解得：[V]＝[N]^-1[D]，即能够确定一个偏移点，每三个偏移点形成新的偏移层三角面片。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明根据模型特点对模型进行划分减少了支撑；平坦区利用自适应切片减小了阶梯效应并增加了制件强度；特征区采用基于模型表面特征切片降低了表面粗糙度并提高了制件的力学性能；利用五轴联动3D打印机保证了喷头沿成型表面的切向方向运动，其挤出压力在成型表面的法线方向上提高了表面质量和结构性能。

附图说明

图1为本发明方法的步骤流程图。

图2为制件模型。

图3为五轴联动打印示意图。

图4为传统切片示意图。

图5为自适应切片原理示意图。

图6为尖角高度h为0.1mm时，层间角β与层厚t的对照关系。

图7为三角面片偏移示意图。

图8为基于模型表面特征切片示意图。

图9为混合自适应切片示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本发明是一种基于模型表面特征混合自适应切片的五轴联动3D打印方法，包括下述步骤：

本实例采用SolidWorks软件作为三维建模软件，建立如图2所示的制件模型，并存储为STL格式文件。

如图3所示，将模型置于空间直角坐标系下，根据五轴联动3D打印机的特点，增加绕X轴旋转的A轴202(打印平台摆动轴)和绕Z轴旋转的C轴201(打印平台旋转轴)。

传统的平面切片方法如图4所示，支撑多且阶梯效应明显，导致打印时间长且精度不高，故采用基于模型表面特征混合自适应切片的方法。

读取STL中三角面片的法向量信息，依据法向量与Z轴正方向的夹角区分模型的面，顶面：0°～45°；侧面：45°～135°；底面：135°～180°。

判断底面和顶面是否连续，若底面不连续但与底面沿Z方向所对应的顶面连续则视为一部分，若底面不连续且与底面沿Z方向所对应的顶面同样不连续，则利用相邻两底面的侧面将模型分割，故将模型划分为如图2所示101、102、103三部分，先打印102后打印101、103且101、103旋转到合适的打印方向上。

本实例设定特征区打印层数为6层，层厚为0.15mm，故从如图2所示102的实体部分划分出如图9所示303的特征区和302、304的平坦区。

对于平坦区，本实例设定尖角高度为0.1mm进行自适应切片，原理如图5所示，模型切片后层与层之间的层间角β是模型表面曲率确定的，同时β＝cos^-1(h/t)，故当设定尖角高度时，根据β的变化即可确定t的变化，选择值按高精度标准选取对应层厚的最小值。

给出尖角高度h为0.1mm时，层间角β与层厚t的对照关系如图6所示。

因为模型101、103两部分为拔模斜度15°的圆台，如图9中301、306所示，切片每层厚度为0.2mm；如图9所示的304属于β在[0°,60°]平坦层区域，故切片的层厚是0.1mm；如图9所示的302属于β在(75°,90°]平坦层区域，故切片的层厚是0.4mm；如图2所示的102判断模型打印时仍需要支撑，故获取支撑部分如图9所示305的路径G代码。

对于特征区，每一层的三角面片偏移方法如图7所示，确定一个三角面片的一个偏移点，每三个偏移点形成新的偏移层三角面片；用平行于YOZ面的平面与三角面片相交，如图8所示，多段线ABCD近似拟合为模型表面特性的曲线；将平坦区、支撑、特征区路径G代码组合排序，导入五轴3D打印机主控板中，实现打印。

打印过程为：打印如图9所示的302、304、305平坦区和支撑部分，然后打印303特征区部分，打印303时五轴3D打印机的A轴随曲面法线方向联动；A轴摆动到90°的位置，打印如图9所示的301部分；C轴旋转180°，打印如图9所示的306部分；打印结束，去除支撑，进行后处理，获得制件。

本发明一种基于模型表面特征混合自适应切片的五轴联动3D打印方法，不仅去除了如图2所示的101、103的支撑，保证了曲面和圆台的精度，同时自适应层厚减少了打印时间并减少了阶梯效应。

Claims (5)

1.一种基于模型表面特征混合自适应切片的五轴联动3D打印方法，其特征在于，包括以下操作步骤：

第一步：利用计算机辅助设计软件建立制件三维模型，并以STL格式存储数据文件；

第二步：将模型置于空间直角坐标系下，根据五轴联动3D打印机的特点，增加绕X轴旋转的A轴，即打印平台摆动轴，以及绕Z轴旋转的C轴，即打印平台旋转轴；

第三步：利用STL文件中各三角面片的法向量与Z轴正方向之间的夹角，识别制件模型的顶面、底面与侧面；

第四步：判断底面和顶面是否连续，若底面不连续但与底面沿Z方向所对应的顶面连续则视为一部分，若底面不连续且与底面沿Z方向所对应的顶面同样不连续，则利用相邻两底面的侧面将模型分割，并确定整体模型打印顺序和各部分模型打印方向；

第五步：将各部分模型再依据其表面特征和其预设表面分层厚度、层数分为平面打印的平坦区和空间打印的特征区；

第六步：将平坦区用垂直于Z轴的平面切片，按照预设尖角高度值自适应切片厚度，获取作为平坦区的路径G代码，同时判断是否需要支撑，若需要支撑则获取支撑的路径G代码；

第七步：将特征区表面按预设厚度进行三角面片偏移切片，提取三角面片的法向量信息作为A轴转向角度，并用一组平行于YOZ面的平面与三角面片相交，平面间隔与预设表面分层厚度相等，生成特征区路径G代码；

第八步：将平坦区、支撑、特征区路径G代码组合排序，导入五轴联动3D打印机主控板中，实现打印。

2.根据权利要求1所述的基于模型表面特征混合自适应切片的五轴联动3D打印方法，其特征在于，所述第二步中增加打印机平台A轴和C轴的五轴联动3D打印机能够实现喷头沿成型表面的切向方向运动，其挤出压力在成型表面的法线方向上，并且减少支撑。

3.根据权利要求1所述的基于模型表面特征混合自适应切片的五轴联动3D打印方法，其特征在于，所述第三步中的模型划分的具体方法为，夹角角度区分顶面：0°～45°；侧面：45°～135°；底面：135°～180°。

4.根据权利要求1所述的基于模型表面特征混合自适应切片的五轴联动3D打印方法，其特征在于，所述第六步中自适应切片的具体方法为：

每层切片之间的夹角，即β定义为：β＝cos^-1(h/t)；

其中h：尖角高度，t：层厚；在β给定条件下，根据h的值，调节每层切片的厚度t。

5.根据权利要求1所述的基于模型表面特征混合自适应切片的五轴联动3D打印方法，其特征在于，所述第七步中的三角面片偏移切片的具体方法为：

在空间中要做偏移的三角面片的一个顶点定义为：

其中三角面片的法向量；偏移点在笛卡尔坐标系的参考矢量；d₀：常数；

因为三角面片的顶点由三个具有不同法线方向的平面相交唯一表示，除需偏移的三角面片外，共用此偏移顶点的另两个平面的法向量为有d₁、d₂为常数；

当时，沿三角面片法线向量反方向平移距离t，t即为层厚，有：

建立矩阵[N]＝[N₀ N₁ N₂]^T、[D]＝[d₀-t d₁-t d₂-t]^T、[V]为坐标向量矩阵，有：[N][V]＝[D]；

解得：[V]＝[N]^-1[D]，即能够确定一个偏移点，每三个偏移点形成新的偏移层三角面片。