CN109822909A - 一种fdm3d打印机优化算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种FDM3D打印机优化算法，包含以下步骤：A、STL格式数据的可视化和分层切片处理建模；B、支撑的添加优化和扫描路径合理性优化；C、预测喷头位置偏差进行动态修补控制；D、连接结构方面的优化，本发明FDM3D打印机优化算法从网络控制系统能够增加打印速度和打印精度，并且降低分层处理后薄层堆叠的层数和层厚，同时还能合理的规划打印和填充路径。

Description

一种FDM3D打印机优化算法

技术领域

本发明涉及打印机技术领域，具体是一种FDM3D打印机优化算法。

背景技术

3D打印技术自诞生以来,就迅速受到了快速制造行业研发人员和市场的青睐,近几年随着3D打印技术研究的投入增加，其发展已经进入高速阶段体现在精度、速度、稳定状态大幅度提升，其中FDM3D打印机因经济低廉、操作简单、材料容易获取等优点占国际市场份额达到近43％。

FDM是3D打印实现技术中的一种。熔融沉积造型(Fused Deposition Modeling，FDM)釆用热喷头，利用低熔点丝状材料，如蜡丝、ABS、PLA等材料按立体光刻(STL)文件分层数据控制的路径挤压并沉积在指定的位置逐层沉积，凝固成型为整个原型或零件。这一技术又称为熔化堆积法、熔融挤出成模等。

FDM打印技术是快速成形技术中成形速度最快的一种，与其他的快速成形工艺相比，FDM快速成形因不需要激光，大大地降低了成本；设备小而容易操作，使用的热塑性材料等无污染，成为办公室的首选；材料不限，原形复制性高；加工周期快；可加工复杂的三维实体；PLA原材料利用率高；支撑易去除；因具有这些工艺特点而广泛的应用于各个领域，随着计算机技术的发展，该技术也越来越成熟，在机械、医学器具、航天航空、文化创意等领域迅速的发展起来。

增量式3D打印机与传统减料式制造业相比在制造模型复杂度上更具优势，但3D打印无法取代传统制造业，二者只会相辅相成,形成更加完善的关系，加快生产制造的进度。相比之下，传统精密级制造加工仪器设备的加工精度为0.001mm，而目前世界上最好的FDM3D打印成型设备的加工精度为0.1mm,同为FDM3D打印机，工业级加工误差为0.2～0.4mm，桌面级加工误差为0.5～0.8mm。

精度高低最主要的差距体现在软件方面，在分层切片的处理过程中，一般采用的转换格式是STL文件格式，就是将一个三维的CAD模型用一些三角面片来近似的表示，而这种近似的表示方式存在一定的缺陷，比如三角面片在近似的表示过程中容易出错，造成一些数据的遗失；同时在加工时，由于是一层一层的累积而成，精度的问题会带来参差不齐的台阶现象；在支撑添加方面，支撑的设计不合理，就会降低成形件的质量。

为使桌面级FDM打印成型精度向工业级别靠拢，软件部分作为零件加工过程的核心部分影响着零件成形的速度和精度，同时支撑的添加和路径的合理还影响着零件成形的成败和效率。因此，对支撑生成技术优化和路径合理设计的研究具有重要的理论意义和现实意义。而结构是之后一切运动的基础，所以对连接结构进行优化改进。

据统计，基于FDM技术的3D打印机生产的成型产品之中80％的产品仍旧是非成品件，还需要后期加工。剩下的仅有20％是最终产品。说明基于FDM技术的3D打印机还有很多地方需要改进。其中，基于FDM技术的3D打印机软件部分存在的不足包括以下几点：

1)下小上大结构的物体需额外的支撑机构：受重力影响，基于FDM技术的3D打印机也不可能打印出悬空的物体，故需要在悬空物体下方额外打印支撑结构。目前3D打印机大多都是单喷头打印，单喷头打印负责打印零件表面，内部填充和外部辅助支撑等，打印速度低，打印精度低；

2)经分层处理后薄层堆叠的薄层越薄，所需的层数越多，消耗的时间就越长，打印精度和速度难以同时兼顾；

3)打印和填充路径设置不合理导致在大范围打印过程中空程过大，喷头需频繁开闭造成拉丝流涎现象影响精度和美观性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种FDM3D打印机优化算法，以解决所述背景技术中提出的问题。

为实现所述目的，本发明提供如下技术方案：

一种FDM3D打印机优化算法，包含以下步骤：

A、STL格式数据的可视化和分层切片处理建模；

B、支撑的添加优化和扫描路径合理性优化；

C、预测喷头位置偏差进行动态修补控制；

D、连接结构方面的优化。

作为本发明的进一步技术方案：所述分层切片处理是用Z平面截取三维模型，通过平面与三角面片求交点来获取层片轮廓信息，然后判断是否需要支撑和设计填充路径。

作为本发明的进一步技术方案：所述支撑的主要作用有：建立基础层，即在平台和原形底层之间建立缓冲层，使原形或零件制造完成后容易脱离平台，同时，基础支撑还可以给制造过程提供一个基准面；对悬空的结构和材料起支撑作用，防止新层坍塌、变形；加固构筑物，防止制造过程中原形或零件的收缩、变形位移和倒塌。

作为本发明的进一步技术方案：所述支撑分为基础面支撑、整体支撑和局部支撑。

作为本发明的进一步技术方案：所述连接结构包括整体框架连接结构、传送连接结构、内部连杆运动部件连接结构和打印喷头连接结构。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明FDM3D打印机优化算法从网络控制系统能够增加打印速度和打印精度，并且降低分层处理后薄层堆叠的层数和层厚，同时还能合理的规划打印和填充路径。

附图说明

图1为FDM软件成型系统图。

图2为读取STL文件流程图。

图3为连接结构优化方案示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：请参阅图1-3，A、STL格式数据的可视化和分层切片处理建模；

三维CAD模型不能直接进行打印，必须对CAD模型进行三角化处理，转换成能够被3D打印机接受并进行处理的数字文件，用于保存三维CAD模型的文件格式有很多，比如：STL文件、STP文件、CLI文件、IGES文件等。STL文件结构简单，几乎所有的软件都支持该文件格式，因此，被认为是快速成形制造中的一种标准数据格式，关键算法的研究需要对此格式文件进行真实感图形显示和可视化并分层处理，分层切片处理就是用Z平面截取三维模型，通过平面与三角面片求交点来获取层片轮廓信息，然后判断是否需要支撑和设计填充路径，通过软件建模实现STL文件的可视化和切片为支撑和扫描路径优化提供先决条件。

B、支撑的添加优化和扫描路径合理性优化；

由于FDM快速成形技术的特点，对零件进行加工时，支撑的主要作用有：建立基础层，即在平台和原形底层之间建立缓冲层，使原形或零件制造完成后容易脱离平台，同时，基础支撑还可以给制造过程提供一个基准面；对悬空的结构和材料起支撑作用，防止新层坍塌、变形；加固构筑物，防止制造过程中原形或零件的收缩、变形位移和倒塌，所以把支撑分为基础面支撑、整体支撑和局部支撑，现有局部支撑算法实现的实际支撑难以去除对美观性和实用性造成影响并浪费材料由此做出优化；

FDM加工零件时，因为需要逐层积累，喷头要来回的做扫描运动，因此扫描路径的生成十分重要，影响着零件加工的质量和效率，现有扫描路径发展到分区分形扫描可以减少喷头“抬刀”次数，可以进一步对如何分区生成最优化路径做出研究减少甚至完全避免拉丝现象。

C、预测喷头位置偏差进行动态修补控制；

现有的打印过程为控制器直接控制喷头移动打印，因结构连接误差或者温度影响打印路径可能偏离切片时设定的扫描路径从而影响整体模型造成精度不高，对此进行改进实现对喷头准确位置动态修补稳定控制。

D、连接结构方面的优化；

对大型FDM3D打印机而言结构稳定尤为重要，将打印机的连接结构主要分为整体框架连接结构、传送连接结构、内部连杆运动部件连接结构和打印喷头连接结构，这些原有结构由于存在安装误差和摩擦损耗从而影响打印精度，对此提出优化方案并进行建模仿真分析确定方案可以提高精度并实施改进。

FDM快速成型的软件系统包括如图1所示；以切片处理为分界线将系统分为两个模块，第一个模块建模为第二模块创建基础。

1)软件平台实现STL格式文件读取切片建模；

STL模型的读取研究和分层处理；在VS2012开发环境下采用MFC进行编程，利用跨平台图形程序接口OpenGL强大的三维图形库对STL文件数据进行读取、变换和可视化显示，具体流程如图2所示。研究各种分层切片处理算法的优点,选择其中最优方法进行切片流程建模，为支撑设计和路径规划提供基础，完成软件系统中的第一个模块。

2)支撑分析优化和设计更加合理的扫描路径

在设计支撑时需考虑以下几方面因素:支撑的强度和稳定性、支撑的加工时间、支撑的可去除性，对已有添加支撑算法产生的结果进行分析，其不合理之处为现有局部支撑设计为Everywhere支持，对工艺品而言支撑难以去除影响美观；对实用品而言支撑去除后的尺寸大小与设计的公差尺寸有出入影响使用；在目前直支撑、斜支撑、单、双臂板支撑基础上对支撑方法进行优化使之容易去除且对打印成型件不造成影响。

多余路径设计导致喷头冗余空行程过大产生不良后果，在现有平行路径、轮廓平行路径和分形扫描路径基础上进行更细化的分区分形优化改进，设计合理高效的打印和填充路径，完成软件系统第二个模块。

3)预测补偿动态控制喷头运动

视觉系统反馈的实际打印空间坐标与切片规划好的理想打印坐标进行比较，对单层具体发生的位移偏移量进行计算并记录偏离位置，下一层打印对偏移位置进行预测并对喷头进行补偿控制，增加表面成型精度。

4)连接结构优化改进

3D打印机连接结构的改进，结构是之后一切运动的基础，结构连接借鉴传统的3-PRS机床并联结构衍生出适合打印机的三个移动副自由度3-P[2-SS]结构，对已有的框架内外连接方式仿真比较出其中更稳定的结构并加以优化设计，连杆球面副组合中空心、实心杆和鱼眼轴承、磁力万向球中从角度、摩擦损耗、连接、精度等方面对比选择出最优配合，传送连接结构的绝对值伺服电机模组选型都进行分析并实际改进，改进方案如图3所示。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种FDM3D打印机优化算法，其特征在于，包含以下步骤：

A、STL格式数据的可视化和分层切片处理建模；

B、支撑的添加优化和扫描路径合理性优化；

C、预测喷头位置偏差进行动态修补控制；

D、连接结构方面的优化。

2.根据权利要求1所述的一种FDM3D打印机优化算法，其特征在于，所述分层切片处理是用Z平面截取三维模型，通过平面与三角面片求交点来获取层片轮廓信息，然后判断是否需要支撑和设计填充路径。

3.根据权利要求1所述的一种FDM3D打印机优化算法，其特征在于，所述支撑的主要作用有：建立基础层，即在平台和原形底层之间建立缓冲层，使原形或零件制造完成后容易脱离平台，同时，基础支撑还可以给制造过程提供一个基准面；对悬空的结构和材料起支撑作用，防止新层坍塌、变形；加固构筑物，防止制造过程中原形或零件的收缩、变形位移和倒塌。

4.根据权利要求1所述的一种FDM3D打印机优化算法，其特征在于，所述支撑分为基础面支撑、整体支撑和局部支撑。

5.根据权利要求1-4任一所述的一种FDM3D打印机优化算法，其特征在于，所述连接结构包括整体框架连接结构、传送连接结构、内部连杆运动部件连接结构和打印喷头连接结构。