CN109049720B - 一种无丝3d打印方法 - Google Patents

Abstract

为了解决传统3D切片方法运用于无丝3D打印时易出现材料断线、塌陷和/或凸起等现象的技术问题，本发明提供了一种无丝3D打印方法，以保证无丝打印的模型成型效果。本发明将3D模型分割为多个基础层以及与每个基础层相应的补偿层，基础层和补偿层交替排布，每个补偿层的路径与其所对应的基础层路径一致；再将分割模型后得到的每一层均划分为“打印路径”和“非打印路径”；最后进行无丝3D打印。

Description

一种无丝3D打印方法

背景技术

目前3D打印方法都是根据挤出头直径和材料直径计算出每毫米的挤出量，再根据打印速度计算出每秒的挤出量，也就是G-code代码中E后面的值。对于单纯的有丝FDM打印，这种方法是能够实现有丝3D打印的，但是这种方法的缺点也是无法忽略的：无丝打印时，打印材料会有一定的不确定性(例如材料不均匀、有气泡等)，运用传统的切片方法会导致打印时材料断线、塌陷和/或凸起等现象，导致模型成型不稳定。

发明内容

为了解决传统3D切片方法运用于无丝3D打印时易出现材料断线、塌陷和/或凸起等现象的技术问题，本发明提供了一种无丝3D打印方法，以保证无丝打印的模型成型效果。

本发明的技术方案：

一种无丝3D打印方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

步骤1，载入、显示当前待打印3D模型；

步骤2，设置打印参数，包括基础层高、基础线宽；

步骤3，计算挤出补偿层高；

步骤4，根据基础层高和挤出补偿层高进行模型分层，将所述3D模型分割为多个基础层和与每个基础层相应的补偿层，基础层和补偿层交替排布；每个补偿层的路径与其所对应的基础层路径一致；

步骤5，划分打印属性；

根据基础层高、挤出补偿层高、基础线宽，将步骤4模型分层后得到的每一层均划分为“打印路径”和“非打印路径”；

步骤6，根据步骤5划分的打印属性，生成模型路径；

步骤7，根据模型路径生成打印代码，所述打印代码指从第一层到最后一层所有的G-code代码。

进一步地，还包括步骤8，预览切片效果，检查是否每一层都有路径，若都有，则表示模型分层效果符合要求，当前模型切片处理结束；若任一层没有路径，则表示模型分层效果不符合要求，则转入步骤2修改打印参数后，重新进行后续步骤。

进一步地，步骤3中的挤出补偿层高采用高斯牛顿迭代算法计算。

与现有技术相比，本发明的优点：

1、本发明是将传统切片算法中的每一层分解为基础层和补偿层两层来打印，这样就能更好、更准确地控制打印挤出量，使得模型成型更稳定。

2、本发明根据补偿层层高结合材料特性(粘稠度、弹性、韧性)，可得到打印头打印补偿层时的挤出补偿量，当材料粘度较低并且每次挤出量较少时，可适当增大挤出量的补偿量，当材料粘度较低并且挤出量较多时，可适当减少或者取消挤出量的补偿量，进一步保证了模型成型的稳定性。

附图说明

图1是本发明无丝3D打印方法的流程图。

图2是本发明某一基础层路径与其对应的补偿层路径示意图。

图3-1为现有某支架的3D模型示意图；

图3-2是利用本发明的方法对图3-1中的3D模型进行3D切片后的模型路径示意图；

图3-2中：

a为3D模型结构示意图中从下至上第一至六层的整体示意，图中标号1-6分别为3D模型结构中从下至上的第一层、第二层、第三层、第四层、第五层和第六层；

b为图a中第一层路径示意图，第一层是基础层，填充方向为南北方向，层高为基础层高；

c为图a中第二层路径示意图，第二层是第一层的补偿层，填充方向为南北方向，层高为补偿层高；

d为图a中第三层路径示意图，第三层是基础层，填充方向为东西方向，层高为基础层高；

e为图a中第四层路径示意图，第四层是第三层的补偿层，填充方向为东西方向，层高为补偿层高；

f为图a中第五层路径示意图，第五层是基础层，填充方向为南北方向，层高为基础层高；

g为图a中第六层路径示意图，第六层是补偿层，填充方向为南北方向，层高为补偿层高；

b～g中黑色线条部分所示为打印路径。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明所提供的无丝3D打印方法，包括以下步骤：

步骤1，载入、显示当前待打印3D模型；

步骤2，设置打印参数，包括基础层高、基础线宽；

步骤3，计算挤出补偿层高(Compensation)；

步骤4，根据基础层高和挤出补偿层高进行模型分层，将所述3D模型分割为多个基础层和与每个基础层相应的补偿层，基础层和补偿层交替排布，即：第一层为基础层，第二层为第一层的补偿层，第三层为基础层，第四层为第三层的补偿层，……，第n层为基础层，第n+1层为第n层的补偿层；每个补偿层的路径与其所对应的基础层路径一致，如图2所示；也就是说，对于相同的路径连续打印两次，一次是基础层打印(正常打印)，一次是补偿层打印(补偿打印)。

步骤5，根据基础层高、挤出补偿层高、基础线宽划分打印属性，具体是将步骤4分割模型后得到的每一层均划分为“打印路径”和“非打印路径”；

步骤6，根据步骤5划分的打印属性，生成模型路径，模型路径结构成型图如图3-1、图3-2所示示例；

步骤7，根据模型路径生成打印代码，所述打印代码指从第一层到最后一层所有的G-code代码；

步骤8，预览切片效果，检查是否每一层都有路径，若都有，则表示切片效果符合要求，当前模型切片处理结束；若任一层没有路径，则表示切片效果不符合要求，则转入步骤2修改打印参数后，重新切片；

步骤9，载入、显示下一个待打印3D模型，转入步骤2。

上述步骤3中的挤出补偿层高(Compensation)的计算采用高斯牛顿(Gauss-Newton)迭代算法：

已知m个点：(x₁,y₁),(x₂,y₂),...,(x_m,y_m)，其中x为基础层高，y为挤出补偿层高(Compensation)，函数模型为

即y＝f(x,β)，其中β＝(β₁,β₂,...,β_n)(m≥n)。

本算法的目的是找出最优β对应的x与y，使得残差平方和

最小，也即残差r_i最小；残差r_i＝y_i-f(x_i,β)(i＝1,2,...,m)，因算法目的为找出残差r_i的最小值，即S对β偏导数等于零，公式如下：

对β_j给定初值，用迭代法逼近可得：

其中k为迭代次数，Δβ为迭代量。而每次迭代函数是线性的，在β^k处用泰勒级数展开可得：

公式(2)中，J为已知矩阵；

为了方便迭代，令

此时残差r_i可表示为Δy_i：

Δy_i＝y_i-f(x_i,β^k)(3)

由公式(2)与(3)可得：

通过公式(1)与公式(4)可得：

公式(5)对应的矩阵形式为(J^TJ)Δβ＝JΔy，最终迭代公式为：

其中J_f是函数f(x_i,β)对β的雅可比矩阵。通过公式(6)得到最优解β，从而得到最优解β对应的补偿层高(Compensation)。

通过以上迭代算法计算出挤出补偿层高后，可以进一步地根据打印材料的粘稠度与弹性、韧性计算得出打印头打印补偿层时的挤出补偿量(打印补偿层时，打印头移动单位距离所挤出的材料量(体积))。

挤出补偿量E＝K*打印头直径d*补偿层高h*打印头移动速度V

K为常量，一般取1-10。

Claims (3)

1.一种无丝3D打印方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，载入、显示当前待打印3D模型；

步骤2，设置打印参数，包括基础层高、基础线宽；

步骤3，计算挤出补偿层高；

步骤4，根据基础层高和挤出补偿层高进行模型分层，将所述3D模型分割为多个基础层和与每个基础层相应的补偿层，基础层和补偿层交替排布；每个补偿层的路径与其所对应的基础层路径一致；

步骤5，划分打印属性；

根据基础层高、挤出补偿层高、基础线宽，将步骤4模型分层后得到的每一层均划分为“打印路径”和“非打印路径”；

步骤6，根据步骤5划分的打印属性，生成模型路径；

步骤7，根据模型路径生成打印代码，所述打印代码指从第一层到最后一层所有的G-code代码。

2.根据权利要求1所述的无丝3D打印方法，其特征在于：还包括

步骤8，预览切片效果，检查是否每一层都有路径，若都有，则表示模型分层效果符合要求，当前模型切片处理结束；若有任一层没有路径，则表示模型分层效果不符合要求，则转入步骤2修改打印参数后，重新切片。

3.根据权利要求1或2所述的无丝3D打印方法，其特征在于：步骤3中的挤出补偿层高采用高斯牛顿迭代算法计算。

Images