CN108501381B - 3d打印分层厚度自适应切片方法 - Google Patents

3d打印分层厚度自适应切片方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种3D打印分层厚度自适应切片方法，包括以下步骤：获取STL文件数据；输入自定义切片的最大层厚和最小层厚；选定正方向；获取三角形面片三个顶点在正方向对应坐标轴上的相应值，取其最小值，对三角形面片进行排序；获取3D打印模型的高度范围；将区间最小值MinZ赋值给当前Z轴坐标值NowZ；统计3D打印模型中穿过Z轴坐标为NowZ的水平面的三角形面片，计算对应的三角形面片的厚度h0；将当前Z轴坐标值NowZ的值增加h0,作Z轴坐标为NowZ的水平面；重复步骤，计算其他分层高度及平面；当NowZ的值大于等于区间最大值MaxZ时，终止重复，并输出切片数据。

Description

3D打印分层厚度自适应切片方法
技术领域
本发明涉及3D打印领域，尤其涉及一种3D打印分层厚度自适应切片方法。
背景技术
在3D打印中，模型切片是必不可少的步骤，切片算法直接关乎制品的表面质量和成型效率。切片算法主要分为等厚度、自适应性分层算法。
现有技术中，对于等层厚算法，假如设置的层厚较小，会让模型的打印层数增对，从而使打印时间变长，从而降低打印效率；假如设置的层厚较大，则对于模型中对打印精度要求较高的部位，会产生相对较大的误差，从而使打印出的制品与原模型存在较大差异，导致制品不能使用或其他问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中打印效率和精度不可兼得的缺陷，提供一种3D打印分层厚度自适应切片方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明提供了一种3D打印分层厚度自适应切片方法，包括以下步骤：
(1)获取3D打印模型的STL文件数据；
(2)输入自定义切片的最大层厚Max和最小层厚Min；
(3)选定切片方向，默认X轴、Y轴或者Z轴为正方向；
(4)根据选定的正方向，获取三角形面片三个顶点的正方向所在轴的坐标，取其最小值，根据最小值对三角形面片进行排序；
(5)获取3D打印模型的高度范围，构成3D打印模型的三角形面片的正方向所在轴坐标都处于该高度范围内；
(6)将该高度区间最小值赋值给当前正方向所在轴坐标值；
(7)统计3D打印模型中穿过当前正方向所在轴坐标值的水平面的三角形面片，根据以下公式计算对应的三角形面片的厚度h0；
Figure BDA0001582612550000021
其中，h为该层对应的厚度，Max为用户输入的最大层厚，Min为用户输入的最小层厚，cosT为该层包含的所有三角形面片与当前正方向所在轴夹角余弦值绝对值的平均值；
(8)将当前正方向所在轴坐标值增加h0,作当前正方向所在轴坐标值的水平面，则h0为第一层分层高度，该平面则为第一个分层平面；
(9)重复步骤(7)(8)，计算得到第二层分层高度h1,并得到第二个分层平面，依次进行重复，得到第三个，第四个…第N个分层高度及平面；
(10)在当前正方向所在轴坐标值的值大于等于所述高度区间最大值时，终止重复，分层切片完成，并输出切片数据。
本发明还提供了一种3D打印分层厚度自适应切片系统，包括：
数据获取模块，用于获取3D打印模型的STL文件数据；
自定义模块，用于输入自定义切片的最大层厚Max和最小层厚Min；
方向选择模块，用于选定切片方向，默认X轴、Y轴或者Z轴为正方向；
排序模块，用于获取三角形面片三个顶点的正方向所在轴的坐标，取其最小值，根据最小值对三角形面片进行排序；
高度范围获取模块，用于获取3D打印模型的高度范围，构成3D打印模型的三角形面片的正方向所在轴坐标都处于该高度范围内；
赋值模块，用于将该高度区间最小值赋值给当前正方向所在轴坐标值；
自适应分层模块，用于统计3D打印模型中穿过当前正方向所在轴坐标值的水平面的三角形面片，根据以下公式计算对应的三角形面片的厚度h0；
Figure BDA0001582612550000022
其中，h为该层对应的厚度，Max为用户输入的最大层厚，Min为用户输入的最小层厚，cosT为该层包含的所有三角形面片与当前正方向所在轴夹角余弦值绝对值的平均值；将当前正方向所在轴坐标值增加h0,作当前正方向所在轴坐标值的水平面，则h0为第一层分层高度，该平面则为第一个分层平面；同理，计算得到第二层分层高度h1,并得到第二个分层平面，依次进行重复，得到第三个，第四个…第N个分层高度及平面；
切片数据输出模块，用于在当前正方向所在轴坐标值的值大于等于所述高度区间最大值时，终止重复，分层切片完成，并输出切片数据。
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其具有可被处理器执行的计算机程序，该计算机程序执行上述3D打印分层厚度自适应切片方法的步骤。
本发明产生的有益效果是：本发明采用一次分层解决了无拓扑结构的访问难点，并且程序时间复杂度合适。本发明在满足模型精度的情况下，减小打印时间，提高打印效率。对于模型打印精度要求较高的部分，可以自适应减小该处的打印层厚，从而使该出的误差降低；而对于精度要求不高的部分，可以适当增大打印层厚，从而节约打印时间，提高打印效率。进一步地，本发明的分层高度采用的是每层三角形面片的法向量与基准法向量夹角余弦的平均值来确定，充分利用了STL文件的数据特点，且确定自适应厚度的函数可以修改。另外，本发明的算法通过提供用户输入的切片最小值和最大值，使算法使用时更加方便，便于根据实际情况修改相关输入数据。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例3D打印分层厚度自适应切片方法的流程图；
图2是本发明实施例球的均匀切片与自适应切片对比图(左图是对球等厚分层后的剖面图；右图是对球自适应分层后的剖面图)；
图3是本发明实施例stl模型、自适应分层(层厚2～12，23层)以及自适应分层(层厚0.4～8,36层)图；
图4为本发明实施例的stl模型、自适应分层(层厚3～12,39层)以及自适应分层(层厚0.5～6,82层)图；
图5为本发明实施例的stl模型、等厚分层、自适应分层以及自适应分层图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提出了一种简便的基于STL模型的切片分层算法，该算法利用各层三角形面片的法向量与切割方向的标准法向量之间的夹角变化来确定自适应分层。本发明不需要建立各个三角形面片之间的拓扑关系，省去了大量时间，提高了读取效率。
算法前的公式准备：
公式1：
计算三角形法向量与Z轴夹角的余弦值cosA，计算时取其绝对值|cosA|。
z轴正方向对应的法向量m为(0,0,1)；
对于
Figure BDA0001582612550000041
Figure BDA0001582612550000042
Figure BDA0001582612550000043
法向量n为对应三角形面片的法矢。
公式2：
模型某处的层厚与该处倾斜程度有关。倾斜程度越大，该处的精度要求则越大，对应的层厚越小。因此，计算通过该处水平面的所有三角形面片倾斜角度，就可以得出该处的合适层厚。
根据穿过某水平面的所有三角形面片，计算其面片与Z轴余弦值的平均值(通过公式1计算|cosA|，求平均值)，根据该平均值来计算下一步将要分层的高度，计算公式如下：
Figure BDA0001582612550000051
其中，h为该层对应的厚度，Max为用户输入的最大层厚，Min为用户输入的最小层厚，cosT为该层包含的所有三角形面片与Z轴夹角余弦值绝对值的平均值。
实现步骤：
沿X轴切片：
(1)读取STL文件数据。
(2)用户输入定义切片的最大层厚Max和最小层厚Min。
(3)选定切片方向，默认X轴正方向。
(4)获取三角形面片三个顶点的X轴坐标，取其最小值，最小值对三角形面片进行排序。
(5)获取模型的高度范围。假设高度范围为[MinX,MaxX],则构成模型的三角形面片X坐标都处于区间[MinX,MaxX]。
(6)将区间最小值MinX赋值给NowX。
(7)统计模型中穿过X坐标为NowX的水平面的三角形面片，根据公式2计算对应的h0[注意：此时公式1中的向量m取(1,0,0)]。
(8)将NowX的值增加h0,作X轴坐标为NowX的水平面。则h0为第一层分层高度，该平面则为第一个分层平面。
(9)重复步骤(7)(8)，计算得到第二层分层高度h1,并得到第二个分层平面。依次进行重复，得到第三个，第四个…第N个分层高度及平面。
(10)当NowX的值大于等于区间最大值MaxX时，终止重复，分层切片完成，并输出切片数据。
沿Y轴切片：
(1)读取STL文件数据。
(2)用户输入定义切片的最大层厚Max和最小层厚Min。
(3)选定切片方向，默认Y轴正方向。
(4)获取三角形面片三个顶点的Y轴坐标，取其最小值，最小值对三角形面片进行排序。
(5)获取模型的高度范围。假设高度范围为[MinY,MaxY],则构成模型的三角形面片Y坐标都处于区间[MinY,MaxY]。
(6)将区间最小值MinY赋值给NowY。
(7)统计模型中穿过Y坐标为NowY的水平面的三角形面片，根据公式2计算对应的h0[注意：此时公式1中的向量m取(0,1,0)]。
(8)将NowY的值增加h0,作Y轴坐标为NowY的水平面。则h0为第一层分层高度，该平面则为第一个分层平面。
(9)重复步骤(7)(8)，计算得到第二层分层高度h1,并得到第二个分层平面。依次进行重复，得到第三个，第四个…第N个分层高度及平面。
(10)当NowY的值大于等于区间最大值MaxY时，终止重复，分层切片完成，并输出切片数据。
沿Z轴切片：
(1)读取STL文件数据。
(2)用户输入定义切片的最大层厚Max和最小层厚Min。
(3)选定切片方向，默认Z轴正方向。
(4)获取三角形面片三个顶点的Z轴坐标，取其最小值，最小值对三角形面片进行排序。
(5)获取模型的高度范围。假设高度范围为[MinZ,MaxZ],则构成模型的三角形面片Z轴坐标都处于区间[MinZ,MaxZ]。
(6)将区间最小值MinZ赋值给NowZ。
(7)统计模型中穿过Z轴坐标为NowZ的水平面的三角形面片，根据公式2计算对应的h0。
(8)将NowZ的值增加h0,作Z轴坐标为NowZ的水平面。则h0为第一层分层高度，该平面则为第一个分层平面。
(9)重复步骤(7)(8)，计算得到第二层分层高度h1,并得到第二个分层平面。依次进行重复，得到第三个，第四个…第N个分层高度及平面。
(10)当NowZ的值大于等于区间最大值MaxZ时，终止重复，分层切片完成，并输出切片数据。
如图2所示，为以现有技术对球的等厚分层和本发明方法对球自适应分层的对比图，可见中间的分层厚度较大，分层数较少，而顶部的分层厚度较小，分层数较多。
如图3所示，是本发明实施例stl模型、自适应分层(层厚2～12，23层)以及自适应分层(层厚0.4～8,36层)图；其中左起第一图为stl模型的三维图，该模型是一个球体；左起第二图是设置最小层厚为2单位，最大层厚为12单位，对模型自适应分层后的剖面图，模型分层后分为23层；第三图是设置最小层厚为0.4单位，最大层厚为8单位，对模型自适应分层后的剖面图，模型分层后分为36层。通过第二图和第三图可以看出，在球的中间部分，对精度要求不高，分层厚度较大；而从球的中间向上下两方向延伸，对精度要求逐渐增高，分层厚度逐渐减小，这样能满足球上下两端对打印精度的要求。
图4为本发明实施例的stl模型、自适应分层(层厚3～12,39层)以及自适应分层(层厚0.5～6,82层)图；其中，左起第一图是模型的三维图，上面部分是一个圆柱，下半部分是一个半球；左起第二图是设置最小层厚为3单位，最大层厚为12单位，对模型自适应分层后的剖面图，模型分层后分为39层；第三图是设置最小层厚为0.5单位，最大层厚为6单位，对模型自适应分层后的剖面图，模型分层后分为82层。通过第二图和第三图可以看出，模型的上半部分圆柱的部分，精度要求不大，模型是以设置的最大层厚对模型进行分层。而模型的下半部分半球，从半球上部分到底部，打印精度要求逐渐增大，在半球的底部达到最大。因此从半球的顶部到底部分层厚度从最大值逐渐减小到最小值。从而对模型进行自适应分层，又不影响打印精度。
图5为本发明实施例的stl模型、等厚分层、自适应分层以及自适应分层图。其中左起第一图是模型的三维图，该模型是一个葫芦；左起第二图是对模型等厚分层后的剖面图；第三图和第四图是对模型自适应分层后的剖面图。从第三图和第四图自适应分层图可以看出，葫芦嘴和葫芦身两个类球部分的中部处对打印精度要求不高，因此这些地方分层厚度较大，以最大层厚进行分层。而葫芦底部、两类球部分交界处和葫芦嘴与葫芦身交界处，这些地方对打印的精度要求较高，分层厚度较小。从而对模型进行自适应分层，又不影响打印精度。
综上，本发明(1)未采用建立拓扑结构的方式实现了一种新的切片算法。该算法采用一次分层解决了无拓扑结构的访问难点，并且程序时间复杂度合适。(2)该算法的分层高度采用的是每层三角形面片的法向量与基准法向量夹角余弦的平均值来确定，这样充分利用了STL文件的数据特点，且确定自适应厚度的函数可以修改。(3)该算法提供用户输入的切片最小值和最大值，使算法使用时更加方便，便于根据实际情况修改相关输入数据。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种3D打印分层厚度自适应切片方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)获取3D打印模型的STL文件数据；
(2)输入自定义切片的最大层厚Max和最小层厚Min；
(3)选定切片方向，默认X轴、Y轴或者Z轴为正方向；
(4)根据选定的正方向，获取三角形面片三个顶点的正方向所在轴的坐标，取其最小值，根据最小值对三角形面片进行排序；
(5)获取3D打印模型的高度范围，构成3D打印模型的三角形面片的正方向所在轴坐标都处于该高度范围内；
(6)将该高度范围最小值赋值给当前正方向所在轴坐标值；
(7)统计3D打印模型中穿过当前正方向所在轴坐标值的水平面的三角形面片，根据以下公式计算对应的三角形面片的厚度h0；
Figure FDA0002384139270000011
其中，h为该层对应的厚度，Max为用户输入的最大层厚，Min为用户输入的最小层厚，cosT为该层包含的所有三角形面片的法向量与当前正方向所在轴夹角余弦值绝对值的平均值；
(8)将当前正方向所在轴坐标值增加h0,作当前正方向所在轴坐标值的水平面，则h0为第一层分层高度，该平面则为第一个分层平面；
(9)重复步骤(7)(8)，计算得到第二层分层高度h1,并得到第二个分层平面，依次进行重复，得到第三个，第四个…第N个分层高度及平面；
(10)在当前正方向所在轴坐标值的值大于等于所述高度区间最大值时，终止重复，分层切片完成，并输出切片数据。
2.一种3D打印分层厚度自适应切片系统，其特征在于，包括：
数据获取模块，用于获取3D打印模型的STL文件数据；
自定义模块，用于输入自定义切片的最大层厚Max和最小层厚Min；
方向选择模块，用于选定切片方向，默认X轴、Y轴或者Z轴为正方向；
排序模块，用于获取三角形面片三个顶点的正方向所在轴的坐标，取其最小值，根据最小值对三角形面片进行排序；
高度范围获取模块，用于获取3D打印模型的高度范围，构成3D打印模型的三角形面片的正方向所在轴坐标都处于该高度范围内；
赋值模块，用于将该高度范围最小值赋值给当前正方向所在轴坐标值；
自适应分层模块，用于统计3D打印模型中穿过当前正方向所在轴坐标值的水平面的三角形面片，根据以下公式计算对应的三角形面片的厚度h0；
Figure FDA0002384139270000021
其中，h为该层对应的厚度，Max为用户输入的最大层厚，Min为用户输入的最小层厚，cosT为该层包含的所有三角形面片的法向量与当前正方向所在轴夹角余弦值绝对值的平均值；将当前正方向所在轴坐标值增加h0,作当前正方向所在轴坐标值的水平面，则h0为第一层分层高度，该平面则为第一个分层平面；同理，计算得到第二层分层高度h1,并得到第二个分层平面，依次进行重复，得到第三个，第四个…第N个分层高度及平面；
切片数据输出模块，用于在当前正方向所在轴坐标值的值大于等于所述高度区间最大值时，终止重复，分层切片完成，并输出切片数据。
3.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其具有可被处理器执行的计算机程序，该计算机程序执行如权利要求1的3D打印分层厚度自适应切片方法的步骤。
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