CN109732928A

CN109732928A - 一种实时可变宽度的3d打印路径构造方法

Info

Publication number: CN109732928A
Application number: CN201910073271.2A
Authority: CN
Inventors: 张李超; 盛伟; 徐捷; 牛其华; 史玉升; 余圣甫
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2019-01-25
Filing date: 2019-01-25
Publication date: 2019-05-10
Anticipated expiration: 2039-01-25
Also published as: CN109732928B

Abstract

本发明属于3D打印技术领域，并具体公开了一种实时可变宽度的3D打印路径构造方法。该方法包括如下步骤：构建待制造零件的三维模型；对所述三维模型进行分层，获得各层的切片；获得所述切片的中轴线和骨架线；将骨架线以中轴线为中心分为两部分，记为第一半区和第二半区；将骨架线沿中轴线的方向依次排序；分别计算第一半区、第二半区的骨架线中最大骨架线长度和最小骨架线长度，并确定第一半区、第二半区的最优路径点数；根据最优路径点数，确定各路径点的位置，然后依次将路径点连接从而生成打印路径。本发明能够减少台阶效应和空腔的出现，并且在加工过程中的空走行程更少，具有更高的加工效率。

Description

一种实时可变宽度的3D打印路径构造方法

技术领域

本发明属于3D打印技术领域，更具体地，涉及一种实时可变宽度的3D打印路径构造方法。

背景技术

3D打印(Three-dimensional printing)是增材制造技术(AdditiveManufacturing,AM)的俗称，它是一种根据三维CAD设计数据，采用离散材料逐层累加制造物体的技术。与传统的材料加工方式相比，3D打印技术将三维实体加工变为由点到线、由线到面、由面到体的离散堆积成型过程。按照传统的路径规划以及工艺上的区别，可以将3D打印分为如下几个类型：激光选区烧结(SLS)、熔融沉积成型(FDM)、立体喷印(3DP)、数字光处理成型(DLP)、分层实体制造(LOM)。近年来，发展出了一些新型的3D打印方法，例如电弧增材制造(WAAM)、激光熔覆沉积制造(LENS)、建筑3D打印等。这些新型3D打印方法与传统3D打印方法相比，区别在于可实现的路径规划不同。

针对三维实体分层后各层切片的路径规划方法是3D打印中关键技术之一。目前应用于3D打印技术的路径规划算法有：平行扫描路径、Z字形路径、轮廓偏置路径、螺旋路径、中轴变化路径等，其中应用最为广泛的是平行扫描路径和轮廓偏置路径。平行扫描路径即选取一个方向，采用有一定间隔的平行线填充整个轮廓；轮廓偏置即将原始轮廓按照一定间隔依次向内偏置，直到填充满整个轮廓，两种方法都是固定宽度的路径生成方法。当宽度选取过小时，两种方法生成的路径数量过多，影响加工效率；当宽度选取过大时，平行扫描会造成很严重的台阶效应，轮廓偏置扫描会在中心处产生空腔，导致成形质量差、力学性能不符合要求等问题。

因此，新型3D打印方法例如建筑3D打印，提出了一种新的需求，即通过激光功率的变化、激光光斑大小的变化或挤出装置喷口直径的变化实现打印过程中打印宽度的实时变化。例如专利CN201720710937.7提出了一种适用于建筑3D打印的挤出装置，可以在打印过程实时变化喷嘴直径，从而达到变宽度打印的效果，但是对于可变宽度的3D打印的路径构造方法需要作进一步研究。

发明内容

针对现有技术的上述缺点和/或改进需求，本发明提供了一种实时可变宽度的3D打印路径构造方法，其中通过获得每层切片的中轴线和骨架线，并通过计算最优路径点数生成实时可变宽度的3D打印路径，因而尤其适用于制造单连通零件的应用场合。

为实现上述目的，本发明提出了一种实时可变宽度的3D打印路径构造方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(a)构建待制造零件的三维模型；

(b)对所述三维模型进行分层，获得各层的切片；

(c)获得所述切片的中轴线和骨架线，其中所述中轴线为与切片轮廓上不同边或边的延长线上的两个或两个以上点等距离的点集，所述骨架线为所述中轴线上某一点与其对应的切片轮廓上某一点的连线；

(d)将步骤(c)中得到的骨架线以中轴线为中心分为两部分，位于中轴线一侧的骨架线记为第一半区，位于中轴线另一侧的骨架线记为第二半区；

(e)分别将步骤(d)中获得的第一半区、第二半区的骨架线沿中轴线的方向依次排序；

(f)分别计算排序后的第一半区、第二半区的骨架线中最大骨架线长度和最小骨架线长度，并根据由执行机构限制的最大打印宽度和最小打印宽度分别确定第一半区、第二半区的最优路径点数；

(g)根据步骤(f)中获得的第一半区的最优路径点数，确定所述第一半区骨架线上各路径点的位置，保证各路径点之间的距离为骨架线的长度除以最优路径点数，然后依次将第一半区骨架线上的对应路径点连接，从而生成所述第一半区的打印路径，同时采用该方法生成所述第二半区的打印路径，以此完成实时可变宽度的3D打印路径的构造。

作为进一步优选地，所述步骤(d)中判断所述骨架线所属区域的方法为：将该骨架线两个端点的坐标代入公式(1)中，将结果为正的骨架线归为第一半区，将结果为负的骨架线归为第二半区；

MA_x×OUT_y-MA_y×OUT_x (1)

式中，MA_x为骨架线中位于中轴线上的端点MA的横坐标，MA_y为端点MA的纵坐标，OUT_y为骨架线中位于切片轮廓上的端点OUT的纵坐标，OUT_x为端点OUT的横坐标。

作为进一步优选地，所述步骤(f)中确定最优路径点数的方法为：

(ⅰ)选择能够同时满足式(2)和式(3)的K¹中的最小值记为第一半区的最优路径点数

式中，d_min为最小打印宽度，d_max为最大打印宽度，K¹为第一半区的路径点数，为第一半区中最小骨架线的长度，为第一半区中最大骨架线的长度；

(ⅱ)然后选择能够同时满足式(4)和式(5)的K²中的最小值记为第二半区的最优路径点数

式中，d_min为最小打印宽度，d_max为最大打印宽度，K²为第二半区的路径点数，为第二半区中最小骨架线的长度，为第二半区中最大骨架线的长度。

作为进一步优选地，所述步骤(g)中确定第一半区骨架线上各路径点的位置的方法为：

式中，i为骨架线上路径点的编号，为第一半区中骨架线上第i个路径点的横坐标，为第一半区中骨架线上第i个路径点的纵坐标。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明通过获得每层切片的中轴线和骨架线，并通过将骨架线分区、排序和划分得到最优路径点的方法生成可变宽度的3D打印路径，适用于制造单连通的零件尤其是壁状件；

2.利用该方法生成的打印路径与平行扫描生成的打印路径相比，空走行程较短，因此加工效率较高，并且能够大大减少台阶效应；

3.此外，该方法生成的打印路径与偏置扫描生成的打印路径相比，不会在中心出现空腔，并且最后成形的零件具有更好的几何还原度，力学性能更佳，而且在加工过程中的空走行程更少，具有更高的加工效率。

附图说明

图1是本发明提供的实时可变宽度的3D打印路径构造方法的流程图；

图2是本发明优选实施例中壁状件的原始中轴线和骨架线；

图3是本发明优选实施例中壁状件两端特殊处理的计算过程示意图；

图4是本发明优选实施例中壁状件两端分叉处理后的中轴线和骨架线；

图5是本发明优选实施例中壁状件的第一半区骨架线的示意图；

图6是本发明优选实施例中壁状件的第二半区骨架线的示意图；

图7是本发明优选实施例中生成最终打印路径的计算过程；

图8是本发明优选实施例中壁状件的最终打印路径示意图；

图9是该壁状件采用平行扫描方式生成的打印路径示意图；

图10是该壁状件采用偏置扫描方式生成的打印路径示意图。

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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明提供了一种实时可变宽度的3D打印路径构造方法，该方法包括如下步骤：

(a)构建待制造零件的三维模型；

(b)对所述三维模型进行分层，获得各层的切片；

(c)利用如Voronoi图算法等方法获得所述切片的中轴线和骨架线，其中所述中轴线为该切片的对称轴，即与切片轮廓上不同边或边的延长线上的两个或两个以上点等距离的点集，所述骨架线为所述中轴线上某一点与其对应的切片轮廓上某一点的连线；

更具体地，Voronoi图的定义是将平面划分成几个不相重叠的区域，每个区域对应一个定义它的边界元素(即直线、圆弧和凹点)，这个区域内所有点到定义它的边界元素的距离相对于任何其他的边界来说是最短的，这样的区域称为Voronoi区；

判断所述骨架线所属区域的方法为：将该骨架线两个端点的坐标代入公式(1)中，将结果为正的骨架线归为第一半区，将结果为负的骨架线归为第二半区；

MA_x×OUT_y-MA_y×OUT_x (1)

式中，MA_x为骨架线中位于中轴线上的端点MA的横坐标，MA_y为端点MA的纵坐标，OUT_y为骨架线中位于切片轮廓上的端点OUT的纵坐标，OUT_x为端点OUT的横坐标；

更具体地，排序的方法为对骨架线中位于中轴线上的端点沿中轴线方向依次排序，并根据端点的顺序将第一半区、第二半区的骨架线排序；

(f)分别计算排序后的第一半区、第二半区的骨架线中最大骨架线长度和最小骨架线长度，并根据最大打印宽度和最小打印宽度(执行机构确定后，最大打印宽度和最小打印宽度为定值)分别确定第一半区、第二半区的最优路径点数，其具体过程为：

式中，d_min为最小打印宽度，d_max为最大打印宽度，K²为第二半区的路径点数，为第二半区中最小骨架线的长度，为第二半区中最大骨架线的长度；

(g)根据步骤(f)中获得的第一半区的最优路径点数，确定所述第一半区骨架线上各路径点的位置，保证各路径点之间的距离为骨架线的长度除以最优路径点数，然后依次将第一半区骨架线上的对应路径点连接(每条第一半区骨架线上有n个路径点，依次将第一半区骨架线上的第i个路径点连接)，从而生成所述第一半区的打印路径，同时采用该方法生成所述第二半区的打印路径，以此完成实时可变宽度的3D打印路径的构造；

确定第一半区骨架线上第i个路径点的位置的方法为：

式中，为第一半区中骨架线上第i个路径点的横坐标，为第一半区中骨架线上第i个路径点的纵坐标。

如图2～图8所示，本发明一个优选实施例中壁状件的3D打印路径生成过程为：

(a)构建待制造零件的三维模型；

(b)对所述三维模型进行分层，获得各层的切片；

(c)利用Voronoi图算法获得所述切片的中轴线和骨架线，结果如图2所示，该壁状件具有451条中轴线和386条骨架线；

由于Voronoi图算法几何特性的限制，骨架线的两端处出现分叉(图2中标识1、2处)，因此需要做出特殊处理，计算过程如图3所示，取上下分叉的端点A和B的中点M，连接M与两条分叉的交点C得到线段MC，根据线段AC上骨架线的数量n将线段MC等分，获得n个点M₁、M₂、…、M_n，将从端点A处开始数第i条骨架线与从端点M处开始数第i个等分点M_i连接，从而得到n条新的骨架线；同理获得其他部分新的骨架线，最后得到如图4所示处理后的骨架线集合，该壁状件具有463条中轴线和413条骨架线；

(d)对所有骨架线进行区域划分，将位于中轴线左侧的骨架线被划分为第一半区，位于中轴线右侧的骨架线被划分为第二半区，其中第一半区有211条骨架线，第二半区有202条骨架线；

(e)分别将第一半区和第二半区的骨架线沿中轴线方向排序，结果如图5～6所示；

(f)通过计算得到第一半区中最大骨架线长度第一半区中最小骨架线长度第二半区中最大骨架线长度第二半区中最小骨架线长度本实施例中执行机构限制的实际打印宽度为8mm～20mm，根据公式(2)～(3)计算得到第一半区的最优路径点数采用同样的方法得到第二半区的最优路径点数

(g)如图7所示，根据在第一半区、第二半区的骨架线上确定6个路径点A_i，B_i，C_i，D_i，E_i(i从1到6)，每个路径点之间的距离为该骨架线的长度除以6，将每条骨架线上第i个路径点连接起来，其中竖线为骨架线，横线为生成的打印路径，最后生成的打印路径如图8所示。

图9是对该壁状件进行平行扫描后生成的路径，由于路径道数较多，所以空走行程较长，加工效率较低，另外实际打印过程中由于打印宽度的影响，在两侧的曲线处会出现明显的台阶效应，严重影响最终零件的几何还原度；图10是对该壁状件进行轮廓偏置扫描生成的路径，当最后偏置到中心时，会出现三处明显的空腔，严重影响最终零件的力学性能和成形质量；通过对比发现本发明构造的实时可变宽度的3D打印路径构造方法相对于传统的平行扫描和轮廓偏置扫描具有明显的优势。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种实时可变宽度的3D打印路径构造方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(a)构建待制造零件的三维模型；

(b)对所述三维模型进行分层，获得各层的切片；

2.如权利要求1所述的实时可变宽度的3D打印路径构造方法，其特征在于，所述步骤(d)中判断所述骨架线所属区域的方法为：将该骨架线两个端点的坐标代入公式(1)中，将结果为正的骨架线归为第一半区，将结果为负的骨架线归为第二半区；

MA_x×OUT_y-MA_y×OUT_x (1)

3.如权利要求1或2所述的实时可变宽度的3D打印路径构造方法，其特征在于，所述步骤(f)中确定最优路径点数的方法为：

4.如权利要求1～3任一项所述的实时可变宽度的3D打印路径构造方法，其特征在于，所述步骤(g)中确定第一半区骨架线上各路径点的位置的方法为：