CN109016491A - 一种房屋3d建模及3d打印方法 - Google Patents

一种房屋3d建模及3d打印方法 Download PDF

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    • B22F3/115—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces by spraying molten metal, i.e. spray sintering, spray casting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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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
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Abstract

本发明提供一种房屋3D建模及3D打印方法：针对预3D打印的实体房屋，利用虚拟建模技术，建立其3D模型；对该3D模型进行离散化切片分层处理，获得切片再通过数据处理获取每层的加工信息；将各二维切片的结构信息转化成相应的数控加工轨迹，使各二维切片中的成型材料信息与相应成型材料的喷头相对应以控制喷头的开与关；通过数控运动和喷头喷射材料实现每个二维切片分层的精确堆积；房屋打印过程采取不同打印头分别输送不同成型材料、逐层堆积而打印成型；对打印的房屋模型进行打磨、喷涂、布线、去支撑处理。本发明实现了不规则、规律无法预期的房屋准确的虚拟3D建模及和方便快捷的3D打印，能达到精确快速的3D建模和3D打印效果。

Description

一种房屋3D建模及3D打印方法
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，具体地，涉及一种房屋3D建模及3D打印方法。
背景技术
房屋3D建模是获取房屋3D结构信息的重要手段，在城市规划、灾害监测、通信设施建设和数字城市等领域具有非常广泛的应用。长期以来,它一直是摄影测量、遥感、计算机视觉、模式识别以及测绘等领域长期研究的重要课题。目前国际上具有代表性的研究机构有瑞士的苏黎世工业大学、德国的波恩大学、英国的牛津大学、法国国家信息与自动化研究所以及美国的南加州大学等。国内的研究机构主要有武汉大学、华中科技大学以及中科院遥感所等。房屋3D建模逐渐成为计算机图形学，计算机视觉的研究热点。
房屋3D打印是采用3D打印技术制作大型物体(包括城市雕塑、景观房屋、功能房屋等)的一种3D打印成型方法，该方法集成了计算机、自动化、机械、电子、材料等多学科为一体。房屋3D打印的目标与功能在于：能够借助3D设计技术设计出数字化房屋结构，通过大型房屋打印设备及装备，利用高性能新型房屋材料，采用3D打印技术快速、自动建造出大型、结构复杂的城市雕塑或功能完备且兼顾审美艺术的实体房屋。
传统的建筑建造过程速度慢、不安全、成本高，并且施工危险、劳动强度大。在建筑业中引进3D打印技术将是一次巨大的产业创新。房屋3D打印对环保、建筑业、商品混凝土行业带来的改变将是颠覆性和革命性的，在可预见的将来其将可以取代传统的建造模式，成为未来建筑行业的主要形式。而本领域大多数的研究和成果都是基于通常情况下具有正常外观的房屋，对规则的房屋进行区域检测和3D模型建模和打印。然而，对于楼房呈现出不规则形状，离散性和无序性，以及不可预期性，使得直接用这些数据进行网格建模，难以找到合理的规则，将会产生巨大的误差，甚至导致3D建模失败，严重影响了3D建模和打印的效果。
发明内容
基于本领域对的技术缺陷，本发明提供的方法，结合房屋建模方法和3D打印方法，可以达到精确快速的3D建模和3D打印效果。
一种房屋3D建模及3D打印方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，针对预3D打印的实体房屋，利用虚拟建模技术，建立其3D模型，该模型含有该房屋的结构信息和材料信息；
步骤2，对该3D模型进行离散化切片分层处理，获得一系列切片，再通过数据处理获取每层的实体结构信息、材料分布信息、运动轨迹等加工信息；
步骤3，将各二维切片的结构信息转化成相应的数控加工轨迹，使得各二维切片中的成型材料信息与相应成型材料的喷头相对应，以控制喷头的开与关；通过数控运动和喷头喷射材料，实现每个二维切片分层的精确堆积；
步骤4，房屋的打印过程采取不同打印头分别输送不同成型材料、逐层堆积而打印成型；
步骤5，对打印的房屋模型进行打磨、喷涂、布线、去支撑处理。
优选地，步骤1中房屋的结构信息和材料信息，采用色彩分布函数来进行结构和材料定义，该分布函数能反映出房屋内部的多种结构或材料在高度方向和水平方向连续地变化过程。
优选地，步骤2中，每个切片的厚度为10-50mm。
优选地，步骤3中，房屋的成型材料包括混凝土、金属、塑料或木料。
优选地，其中，房屋可以采用整体打印成型方法一次性制作，也可以在计算机中将其3D模型进行分块，每一块或某几块分别打印再进行组装。
附图说明
图1本发明所提出的方法流程图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合附图参考实施例的描述，对本发明的方法进行进一步的说明。
为了全面理解本发明，在以下详细描述中提到了众多具体细节。但是本领域技术人员应该理解，本发明可以无需这些具体细节而实现。在实施例中，不详细描述公知的方法、过程、组件，以免不必要地使实施例繁琐。
参见图1所示，本发明所提出的一种房屋3D建模及3D打印方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，针对预3D打印的实体房屋，利用虚拟建模技术，建立其3D模型，该模型含有该房屋的结构信息和材料信息；
步骤2，对该3D模型进行离散化切片分层处理，获得一系列切片，再通过数据处理获取每层的实体结构信息、材料分布信息、运动轨迹等加工信息；
步骤3，将各二维切片的结构信息转化成相应的数控加工轨迹，使得各二维切片中的成型材料信息与相应成型材料的喷头相对应，以控制喷头的开与关；通过数控运动和喷头喷射材料，实现每个二维切片分层的精确堆积；
步骤4，房屋的打印过程采取不同打印头分别输送不同成型材料、逐层堆积而打印成型；
步骤5，对打印的房屋模型进行打磨、喷涂、布线、去支撑处理。
优选地，步骤1中房屋的结构信息和材料信息，采用色彩分布函数来进行结构和材料定义，该分布函数能反映出房屋内部的多种结构或材料在高度方向和水平方向连续地变化过程。
优选地，步骤2中，每个切片的厚度为10-50mm。
优选地，步骤3中，房屋的成型材料包括混凝土、金属、塑料或木料。
优选地，其中，房屋可以采用整体打印成型方法一次性制作，也可以在计算机中将其3D模型进行分块，每一块或某几块分别打印再进行组装。
优选地，所述步骤1，针对预3D打印的实体房屋，利用虚拟建模技术，建立其3D模型，具体包括：
步骤1.1，对预3D打印的实体房屋进行采样，获取房屋表面和内部的离散原始点，原始边和原始面；
步骤1.2，建立房屋的四面体网格和三角剖分网格；
步骤1.3，通过四面体网格和三角剖分网格获取房屋数据，对房屋进行三维建模。
优选地，所述步骤1.2建立四面体网格和三角剖分网格，具体包括：
步骤1.2.1，从原始点中选取特定点，从原始边中选取特定边，从原始面中选取特定面，从而建立特定点集、特定边集、特定面集；
步骤1.2.2，用特定点集建立初始四面体网格和初始三角剖分网格；
步骤1.2.3，进行特定边细分迭代过程；
步骤1.2.4，进行特定面细分迭代过程。
优选地，所述步骤1.2.1所建立的特定点集、特定边集、特定面集，满足以下约束条件：
1.2.1.1，各特定点之间、各特定边之间、各特定面之间不重合；
1.2.1.2，特定点如果在特定边上，则特定点一定是特定边的端点；
1.2.1.3，如果两特定边有交点，则交点一定是特定边的端点；
1.2.1.4，如果特定边和特定面相交，交点一定是特定边的端点；
1.2.1.5，两特定面只在公共特定边处相交；
1.2.1.6，所有特定边的端点都是特定点，所有特定面的边界线都是特定边。
优选地，所述步骤1.2.2用特定点集建立初始四面体网格和初始三角剖分网格，具体包括：
步骤1.2.2.1，对特定点集进行点集的四面体剖分，得到一个初始的四面体剖分网格。
步骤1.2.2.2，对特定点集内落在特定面上的所有的特定点进行点集的平面三角剖分，生成每个特定面的初始的三角剖分网格。
优选地，所述步骤1.2.3，进行特定边细分迭代过程，具体包括：
步骤1.2.3.1，检查每个特定边，如果所述边在当前的四面体剖分网格中不存在空外接球，将其从中点M处细分，并将点M作为节点加入四面体剖分网格中；
步骤1.2.3.2，同时，对于每个特定面，如果所述中点M落在特定面上，也将点M作为节点加入该特定面的当前三角剖分网格中；每个特定面都有一个三角剖分网格，并将位于特定面的边界以内的三角形标识出来。
步骤1.2.3.3，执行步骤1.2.3.1和步骤1.2.3.2，直到所有的边在四面体剖分网格中都出现，并且标识出来的三角形可以覆盖对应的每一个特定面，得到特定边细分迭代后的四面体剖分网格和三角剖分网格。
优选地，所述步骤1.2.4，进行特定面细分迭代过程，具体包括：
步骤1.2.4.1，检查每个特定面的三角剖分网格中的每个三角形T，如果T在四面体剖分网格中不存在空大圆外接球，计算出T的外心P，然后进行加点细分操作；其中，所述大圆外接球是将以三角形T的外接圆为大圆的球称为T的大圆外接球：
步骤1.2.4.2，加点操作时，如果P不在四面体剖分网格中任何特定边细分成的小边的直径球中，将P作为节点加入四面体剖分网格和特定面的三角剖分网格中；如果P在某小边AB的直径球中，将AB从中点M细分，并将M点作为节点加入四面体剖分网格中；其中，所述小边的直径球即以小边为直径的球；
步骤1.2.4.3，同时，对于每个特定面，如果M落在特定面上，也将点M作为节点加入该特定面的三角剖分网格中；
步骤1.2.4.4，完成了一个加点操作后，用所述步骤2.3的边细分迭代方法进行边迭代细分，保证所有特定边在四面体剖分网格中出现；
步骤1.2.4.5，判断是否每个特定面的三角剖分网格中的每个三角形在四面体剖分网格中都存在，如果是则进入步骤1.2.4.6；如果否，判断不在四面体剖分网格中的三角形的尺寸是否小于预设的尺寸阈值，如果是则不再细分迭代进入步骤1.2.4.6，如果否重复执行步骤1.2.4.2－1.2.4.5。
步骤1.2.4.6，迭代结束，得到经过特定面细分迭代的最终的四面体剖分网格和三角剖分网格。
可见，本发明提供了一种房屋3D建模及3D打印方法，克服了本领域的技术缺陷实现了不规则、规律无法预期的房屋的准确的虚拟3D建模及和方便快捷的3D打印。
这里只说明了本发明的优选实施例，但其意并非限制本发明的范围、适用性和配置。相反，对实施例的详细说明可使本领域技术人员得以实施。应能理解，在不偏离所附权利要求书确定的本发明精神和范围情况下，可对一些细节做适当变更和修改。

Claims (5)

1.一种房屋3D建模及3D打印方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，针对预3D打印的实体房屋，利用虚拟建模技术，建立其3D模型，该模型含有该房屋的结构信息和材料信息；
步骤2，对该3D模型进行离散化切片分层处理，获得一系列切片，再通过数据处理获取每层的实体结构信息、材料分布信息、运动轨迹等加工信息；
步骤3，将各二维切片的结构信息转化成相应的数控加工轨迹，使得各二维切片中的成型材料信息与相应成型材料的喷头相对应，以控制喷头的开与关；通过数控运动和喷头喷射材料，实现每个二维切片分层的精确堆积；
步骤4，房屋的打印过程采取不同打印头分别输送不同成型材料、逐层堆积而打印成型；
步骤5，对打印的房屋模型进行打磨、喷涂、布线、去支撑处理。
2.根据权利要求1所述的房屋3D建模及3D打印方法，其中，步骤1中房屋的结构信息和材料信息，采用色彩分布函数来进行结构和材料定义，该分布函数能反映出房屋内部的多种结构或材料在高度方向和水平方向连续地变化过程。
3.根据权利要求1所述的房屋3D建模及3D打印方法，其中，步骤2中，每个切片的厚度为10-50mm。
4.根据权利要求1所述的房屋3D建模及3D打印方法，其中，步骤3中，房屋的成型材料包括混凝土、金属、塑料或木料。
5.根据权利要求1所述的房屋3D建模及3D打印方法，其中，房屋可以采用整体打印成型方法一次性制作，也可以在计算机中将其3D模型进行分块，每一块或某几块分别打印再进行组装。
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