CN108422669A - 一种基于3d打印过程规划的支撑打印方法 - Google Patents

一种基于3d打印过程规划的支撑打印方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于3D打印过程规划的支撑打印方法，首先根据打印参数条件确定可打印的最大桥梁长度以及最大可打印倾角，然后根据所给的三维模型改变打印方向以及在每一种打印方向下改变相应的打印路径方向，计算所需支撑体积最小时对应的打印路径以及对应的打印方向并确定所需支撑打印方案。本发明结合具体的打印条件对打印方向以及打印路径进行双重优化，进一步优化支撑和模型内部填充打印方案，在保证打印质量的基础上，可显著降低所需内部填充以及外部支撑材料用量并提高打印效率，可有效解决现有3D打印技术在打印大型部件时支撑打印普遍存在耗材高、费时长等问题；有利于进一步提升产品打印效率，适合推广应用。

Description

一种基于3D打印过程规划的支撑打印方法
技术领域
本发明属于3D打印技术领域，具体涉及一种基于3D打印过程规划的支撑打印方法。
背景技术
3D打印技术是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印技术可以自动、快速、直接和精确地将计算机中的三维设计转化为实物模型，甚至直接制造零件或模具，从而有效地缩短了产品研发周期，在工业设计、建筑、工程和施工(AEC)、汽车，航空航天等领域都有着重要应用。
然而，现有的FDM 3D打印机由于其层层叠加的本质，在打印空洞以及悬臂时都需要进行支撑结构的打印以支撑下一层材料的打印。因此，三维模型的内部也需要填充已支撑顶部的打印，在打印过程中打印支撑以及内部填充额外增加了打印一个零件的总时间，且所有的外部支撑在打印完成后，都必须人工去除，浪费了材料。因此，为进一步对3D打印支撑方法(包括内部填充)进行改进和优化，有效减少打印时的支撑使用，节约耗材，本发明提出一种基于3D打印过程规划的支撑打印方法，对3D打印技术具有重要的推进作用。
发明内容
本发明的目的是针对现有3D打印技术在打印空洞、悬臂部件以及内部空间时需进行支撑结构打印，且目前支撑打印普遍存在耗材高、费时长等的问题，提出一种基于3D打印过程规划的支撑优化打印方法，可有效减少3D打印支撑的使用以减少耗材并提高打印效率。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于3D打印过程规划的支撑打印方法，它包括如下步骤：
1)根据待打印产品需求，确定打印参数，根据打印参数进行打印试验，确定可打印的最大桥梁长度t(最大间隔打印距离)以及最小可打印倾角θmin(与x-y平面的夹角)；
2)将待打印产品的三维模型置于三维直角坐标系中，3D打印过程的总体方案为自下而上进行逐层打印，设定在x-y平面内与x轴方向的夹角为αi的方向为每一层待打印结构的打印方向；
3)根据待打印结构的打印方向及其结构特征，确定对应的打印路径方案Si；
4)按照打印路径方案Si，并根据最大可打印桥梁长度t和最小可打印倾角θmin，生成相应打印路径方案下的最少支撑方案，对应的支撑使用量为V；
5)改变打印方向与x轴的夹角αi以及对应的Si，得出对应的最少支撑使用方案及支撑使用量Vi；
6)对比不同打印方向下得到的最少支撑方案，选择支撑使用量最少的方案，并根据对应的打印方向、打印路径方案和支撑方案，进行支撑和待打印产品的打印。
上述方案中，步骤1)中所述待打印产品需求为打印温度、打印层厚度、冷却风扇速度等影响参数中的一种或几种。
上述方案中，所述待打印产品为具有下层支撑部位和上层待支撑部位的产品。
上述方案中，所述Si的确定方案为平行于每一层待打印结构的打印方向并根据每一层待打印结构的结构特征进行单层打印。
上述方案中，所述最少支撑方案的确定方法为：所述最少支撑方案的生成方法为：在需要进行支撑打印的上层待支撑部位进行支撑打印方案设计，支撑打印方案采用分层打印方法，与上层待支撑部位接触的支撑为第一层支撑，第一层支撑与x-y平面的夹角为θmin、90-θmin或90度；设定上层待支撑部位需进行支撑的平面沿x方向的长度为la，自x方向的一个端点起，按最大桥梁长度t间隔设置n个第一层支撑杆li,i取1～n，直至ln与上层支撑部位的接触点和la另一端点的距离小于或等于最大桥梁长度t，其中沿y方向的第一层支撑生成方法同x方向，下层支撑垂直于第一层支撑，或沿与x-y平面的夹角为θmin或90度的方向进行逐层设计直至到达下层支撑部位。
优选的，所述上层待支撑部位为非平面结构时，首先根据上层待支撑部位的结构特征设计一个其上部与非平面结构相配合、下部平行于x-y平面的支架，将该支架下部得到的平面结构按照分层打印方案进行支撑方案设计；或对于设置在非平面结构内部的内部支架，内部支架的一侧与非平面结构相配合，另一侧直接与对应的可支撑部位相连。
上述方案中，所述αi的取值范围为0～180度。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提出一种基于3D打印过程规划的支撑打印方法，首先根据打印参数条件确定可打印的最大桥梁长度以及最小可打印倾角，然后根据设定的打印方向以及对应的打印路径方案，计算所需内部填充以及外部支撑总体积最小时对应的打印方案；本发明结合具体的打印条件并对打印方向以及打印路径进行优化，从而进一步优化支撑打印方案，在保证打印质量的基础上，可显著降低所需支撑打印量，可有效减少3D打印支撑的使用量并提高打印效率。
附图说明
图1为选择最优打印方向以及打印路径方案实施算法示意图。
图2为本发明实施例所述支撑优化打印方法中根据打印参数确定最大桥梁长度t的试验结果。
图3为本发明实施例1所述支撑优化打印方法中根据打印参数确定最大打印倾角θ的试验结果。
图4为本发明实施例1中所述支撑优化打印方法的总支撑体积计算的流程示意图。
图5为本发明实施例1计算体积时所需参数示意图。
图6为本发明实施例2中，(a)待打印产品的结构示意图，(b)最优打印方向示意图、最优路径方案示意图，(c)最优支撑示意图，(d)最终打印的产品的的示意图；模型尺寸如图所标示，单位为mm。
图7为本发明实施例3中，(a)待打印产品的结构示意图，(b)最优打印方向示意图、最优路径方案示意图，(c)最优支撑示意图，(d)最终打印的产品的的示意图；模型尺寸如图所标示，单位为mm。
图8为本发明实施例4中，(a)待打印产品的结构示意图，(b)最优打印方向示意图、最优路径方案示意图，(c)最优支撑示意图，(d)最终打印的产品的的示意图；模型尺寸如图所标示，单位为mm。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
一种基于3D打印过程规划的支撑打印方法具体包括如下步骤，其中对应的总支撑体积计算流程示意图见图1：
1)根据待打印产品(结构示意图见图4)需求，确定打印参数，根据打印参数进行打印试验(试验结果见图2、3)，确定可打印的最大桥梁长度t(最大间隔打印距离)以及最小可打印倾角θ，由图2，3可以看出不同打印参数变化时对最大桥梁长度t和打印倾角θ的影响；
2)将待打印产品的三维模型置于三维直角坐标系中，整体打印方案为自下而上进行逐层打印，设定在x-y平面内与x轴方向的夹角为αi的方向为每一单层结构的打印方向；
3)根据单层结构的打印方向和待打印产品的结构特征，确定单层结构的打印路径方案Si；
4)按照打印路径方案Si，根据最大可打印桥梁长度和最小可打印倾角θmin，生成相应打印路径方案下的最少支撑方案，记录相应的支撑使用量为V；
5)改变打印方向与x轴的夹角αi(取值范围为0～180度)以及对应的Si，得出对应的最少支撑使用方案及支撑使用量Vi；
6)对比不同打印方向下得到的最少支撑方案，具体支撑方案见图5步骤4；图中需要进行支撑打印的部位为位于产品中部的圆筒部分和位于产品上部的横梁(分别见图5步骤4虚线部分B和A)；
所述虚线A部分的支撑打印设计方案为：沿需进行支撑横梁长度la，从左边端点起按最大桥梁长度t间隔设置n个支撑杆li(i取1～n)直至ln与上层支撑部位接触点与另一端点的距离小于或等于最大桥梁长度t，其中支撑杆li与x-y平面的夹角为θmin或90-θmin，与x-y平面的夹角为90-θmin的支撑杆设置在与x-y平面的夹角为θmin的下层支撑上(l0)；
所述虚线B部分的支撑打印设计方案为：根据待支撑圆筒结构的曲面特征，首先设计一个上部与曲面结构相配合、下部平行于x-y平面的支架(支架也计入支撑打印量内)，将该支架下部水平部分(Rsinθmin)设定为与虚线A部分相对应的la进行与分层打印方案设计，沿需进行支撑支架长度Rsinθmin，从左边端点起按最大桥梁长度t间隔m个支撑杆hj(j取1～m)，直至hm与上层支撑部位接触点与另一端点的距离小于或等于最大桥梁长度t，其中支撑杆hj与x-y平面的夹角90-θmin，90-θmin的支撑杆设置在与x-y平面的夹角为θmin的下层支撑上；对于圆筒内部结构，设置一侧与圆筒内部结构相配合另一侧直接与对应的可支撑部位相连的内部支撑；
支撑使用量V计算方法如下：
7)根据支撑使用量最少的方案及其对应的打印方向、打印路径方案和支撑方案(见图5b)，进行支撑和待打印产品打印。
实施例2
1)输入待打印产品的三维模型“U”(见图6a)，根据待打印产品需求，确定打印参数(打印温度190℃，打印层厚度0.2mm，冷却风扇速度255RPM，打印速度20mm/s)，根据打印参数进行打印试验，确定可打印的最大桥梁长度t＝2mm，θ＝40°；
2)将待打印产品模型在不同打印方向以及对应的打印路径方案输入图1所示算法，支撑打印方案采用分层打印方案，本实施例需进行支撑的部位为图5(b)中的三处横梁部分(长度为10mm)，支撑设计方案如下：与上层待支撑部位接触的支撑为第一层支撑，第一层支撑与x-y平面的夹角为θmin、90-θmin或90度；设上层待支撑部位需支撑平面x方向的长度为la，自该长度方向的一个端点起，按最大桥梁长度t间隔设置n个第一层支撑杆li(i取1～n)，直至ln与上层支撑部位接触点与另一端点的距离小于最大桥梁长度t，需支撑平面沿y方向的支撑设计思路同x方向；下层支撑垂直于第一层支撑或与沿与x-y平面的夹角为θmin或90度的方向进行逐层设计直至到达下层支撑部位；
3)改变打印方向与x轴的夹角αi(0～180度),对比不同打印方向下得到的最少支撑方案，求得最终的最优打印方向以及最优的路径方案并生成对应的支撑结构见图6(c)，根据对应的打印方向、打印路径方案和支撑方案进行支撑和待打印产品打印。
将传统Cura15.04提供的20％、50％和80％内部填充方案与本实施例所述支撑优化打印方法进行对比，所需支撑材料总使用量分别为5.6g、7.3g、9.4g和4.1g(本实施例)。
上述结果表明：本发明所述内部填充方案以及外部支撑结构优化方法可显著降低支撑材料消耗。
实施例3
1)输入待打印产品的三维模型“O”(见图7a)，根据待打印产品需求，确定打印参数(打印温度190℃，打印层厚度0.2mm，冷却风扇速度255RPM，打印速度20mm/s)，根据打印参数进行打印试验，确定可打印的最大桥梁长度t＝2mm，θ＝40°；
2)将待打印产品模型在不同打印方向以及对应的打印路径方案输入图1所示算法，支撑打印方案采用分层打印方案，具体设计方案如下：
针对上层待支撑部位为圆筒结构的情况，首先设计一个上部与曲面结构相配合、下部平行于x-y平面的支架(支架也计入支撑打印量内)，将该支架下部水平部分(Rsinθmin，R为圆筒外径)，沿需进行支撑支架长度Rsinθmin，从左边端点起按最大桥梁长度t间隔m个支撑杆hj直至j取1～m，直至hm与上层支撑部位接触点与另一端点的距离小于或等于最大桥梁长度t，其中支撑杆hj与x-y平面的夹角为θmin或90-θmin，分别设置在与x-y平面的夹角为θmin或90-θmin的下层支撑上；对于圆筒结构的内部支撑，支架直接与打印产品的支撑部位相连；
3)改变打印方向与x轴的夹角αi(0～180度),对比不同打印方向下得到的最少支撑方案，求得最终的最优打印方向以及最优的路径方案并生成对应的支撑结构见图7(c)，根据对应的打印方向、打印路径方案和支撑方案进行支撑和待打印产品打印。
将传统Cura15.04提供的20％、50％和80％内部填充方案与本应用例所述支撑优化打印方法进行对比，所需材料总使用量分别为4.1g、4.8g、5.4g和2.9g(本实施例)。
上述结果表明：本发明所述内部填充方案以及外部支撑结构优化方法可显著降低支撑材料消耗。
实施例4
1)输入待打印产品的三维模型“A”(见图8a)，根据待打印产品需求，确定打印参数(打印温度190℃，打印层厚度0.2mm，冷却风扇速度255RPM，打印速度20mm/s)，根据打印参数进行打印试验，确定可打印的最大桥梁长度t＝2mm，θ＝40°；
2)将待打印产品模型在不同打印方向以及对应的打印路径方案输入图1所示算法，支撑打印方案采用分层打印方案，本实施例需进行支撑的部位见图8c)中的两处横梁，支撑设计方案如下：与上层待支撑部位接触的支撑为第一层支撑，第一层支撑与x-y平面的夹角为θmin、90-θmin或90度；设上层待支撑部位需支撑平面的长度为la，自该长度方向的一个端点起，按最大桥梁长度t间隔设置n个第一层支撑杆li,i取1～n，直至ln与上层支撑部位接触点与另一端点的距离小于最大桥梁长度t，下层支撑垂直于第一层支撑或与沿与x-y平面的夹角为θmin或90度的方向进行逐层设计直至到达下层支撑部位；
3)改变打印方向与x轴的夹角αi(0～180度),对比不同打印方向下得到的最少支撑方案，求得最终的最优打印方向以及最优的路径方案并生成对应的支撑结构见图8(c)，根据对应的打印方向、打印路径方案和支撑方案进行支撑和待打印产品打印。
将传统Cura15.04提供的20％，50％和80％内部填充方案与本应用例所述支撑优化打印方法进行对比，所需材料总使用量分别为7.5g、8.7g、9.3g和4.8g(本实施例)。
上述结果表明：本发明所述内部填充方案以及外部支撑结构优化方法可显著降低支撑材料消耗。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，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 (7)

1.一种基于3D打印过程规划的支撑打印方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)根据待打印产品需求，确定打印参数，根据打印参数进行打印试验，确定可打印的最大桥梁长度t和最小可打印倾角θmin；
2)将待打印产品的三维模型置于三维直角坐标系中，设定在x-y平面内与x轴方向的夹角为αi的方向为单层待打印结构的打印方向；
3)根据待打印结构的打印方向及其结构特征，确定对应的打印路径方案Si；
4)按照打印路径方案Si，并根据最大可打印桥梁长度t和最小可打印倾角θmin，生成相应打印路径方案下的最少支撑方案，对应的支撑使用量为V；
5)改变打印方向与x轴的夹角αi以及对应的Si，得出对应的最少支撑使用方案及支撑使用量Vi；
6)对比不同打印方向下得到的最少支撑方案，选择支撑使用量最少的方案，并根据对应的打印方向、打印路径方案和支撑方案，进行支撑和待打印产品的打印。
2.根据权利要求1所述的支撑打印方法，其特征在于，步骤1)中所述待打印产品需求为打印温度、打印层厚度、冷却风扇速度中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的支撑打印方法，其特征在于，所述待打印产品为具有下层支撑部位和上层待支撑部位的产品。
4.根据权利要求1所述的支撑打印方法，其特征在于，所述Si的确定方案为平行于每一层待打印结构的打印方向并根据每一层待打印结构的结构特征进行单层打印。
5.根据权利要求3所述的支撑打印方法，其特征在于，所述最少支撑方案的生成方法为：在需要进行支撑打印的上层待支撑部位进行支撑打印方案设计，支撑打印方案采用分层打印方法，与上层待支撑部位接触的支撑为第一层支撑，第一层支撑与x-y平面的夹角为θmin、90-θmin或90度；设定上层待支撑部位需进行支撑的平面沿x方向的长度为la，自x方向的一个端点起，按最大桥梁长度t间隔设置n个第一层支撑杆li,i取1～n，直至ln与上层支撑部位的接触点和la另一端点的距离小于或等于最大桥梁长度t，其中沿y方向的第一层支撑生成方法同x方向，下层支撑垂直于第一层支撑，或沿与x-y平面的夹角为θmin或90度的方向进行逐层设计直至到达下层支撑部位。
6.根据权利要求5所述的支撑打印方法，其特征在于，所述上层待支撑部位为非平面结构时，首先根据上层待支撑部位的结构特征设计一个其上部与非平面结构相配合、下部平行于x-y平面的支架，将该支架下部得到的平面结构按照分层打印方案进行支撑方案设计；或对于设置在非平面结构内部的内部支架，内部支架的一侧与非平面结构相配合，另一侧直接与对应的可支撑部位相连。
7.根据权利要求1所述的支撑打印方法，其特征在于，所述αi的取值范围为0～180度。
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