CN110561756B - 一种三维打印脱料方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维打印脱料方法，包括以下步骤：(1)打印区域导入待打印模型；(2)打印区域的下方设有阵列排布的支撑单元，根据支撑单元排布将模型所在的打印区域划分成对应数量的支撑区域；(3)控制打印机和支撑单元工作完成实体模型的打印；(4)根据模型的特点，对模型所在区域划分出多种分离区和推动区组合，选择一种分离区和推动区的组合划分模型所在区域，推动区的支撑单元向上运动，之后选择下一种分离区和推动区的组合划分模型所在区域，重复上述过程，直至遍历所有的分离区和推动区组合；本发明的三维打印脱料方法减少材料的浪费并缩短处理时间与提高生产效率，还可以自动完成脱模，减少模型受损的可能。

Description

一种三维打印脱料方法

技术领域

本发明涉及三维打印技术领域，特别涉及一种三维打印脱料方法。

背景技术

3D打印，是根据所设计的三维CAD模型，通过3D打印设备逐层堆积材料来制造实体零件的技术。因为3D打印在复杂零件的制作和个性化定制上具有成本低廉等优势，其在原型和模具制造方面具有巨大的优势。在包括政府、航天和国防、医疗设备、高科技、教育业以及制造业等领域 3D打印获得广泛应用。具体来说，3D打印操作分为5步：1)3D模型的获取，2)数据格式转换，3)切片计算，4)打印路径规划，5)输出到3D 打印机。

熔融沉积制造技术(FDM)是目前市场份额最多的3D打印技术，具有操作简单、环境友好、技术开源等优点。其工作原理是加工成丝状的热熔融材料(ABS、PLA、蜡等)经送丝机构送进热熔喷嘴，在喷嘴内丝状材料被加热熔融，同时喷头沿零件层片轮廓和填充轨迹运动，并将熔融材料挤出，使其在沉积在工作台上指定的位置后凝固成型，与前一层已成型的材料粘结层层堆积最终形成产品模型。

由于FDM型三维打印机打印原理类似于简单的“堆积木”，在打印物体模型中的悬空部位时，被挤出的塑料丝悬在空中而无法融合。用户需要在切片前对物体模型悬空部位下方添加支撑结构。这些支撑结构作为物体模型的一部分被打印机打印。支撑结构会对FDM的成型时间和质量有很大影响，阻碍了FDM技术发展。

目前FDM的支撑技术的研究内容主要集中在支撑算法和支撑材料上，同时开发新型打印设备以去除或者减少支撑结构为目的也是当前研究方向。支撑算法最初解决的是支撑结构生成区域的问题，后期则是对支撑结构进行优化，希望获得用量少且强度高的支撑结构。支撑材料的研究目的是使得支撑结构易于去除，其按后处理方式分为两种：剥离性材料和水溶性材料。剥离性材料是在打印完成后用手或者镊子剥离；而水溶性材料则是用相应的溶液进行后处理去除。支撑材料使得FDM生产的模型后处理更加方便。五轴打印机作为一种新型打印设备，相比于传统的3轴打印设备多出两个旋转轴使得打印方向更加自由，理论上可以将工作面调整到无需添加支撑的角度上从而免除支撑结构。

支撑算法暂时没有生成理想中的用量少且强度高的支撑结构，在减少支撑的同时难以保证支撑结构本身的稳定，还需要研究更加智能的方法；支撑材料则没有解决打印支撑结构的时间消耗和材料浪费问题，且需要多喷头打印，对打印机精度也有苛刻的要求；五轴打印机的操作系统比传统打印设备复杂，需要前期大量工艺研究作为基础，目前无法对任意模型进行打印规划。

除了上述研究内容，有行业内人员提出了用外部支撑结构代替原有打印结构的想法。如果事先有支撑件与待打印模型的支撑结构相同或者近似，那么打印中用支撑件来取代支撑结构将能节省时间和材料。例如申请公布号CN 104647753 A的专利文献公开了一种立体打印方法，提供了一种存放支撑件的数据库，在需要打印时从数据库中取支撑件置于打印机基板的预定位置上进行打印。此类方法目前能解决光固化成型的三维打印支撑问题，对于其他类型的3D打印方法并不能很好的适用。比如在FDM 生产过程中，如果事先在打印机基板上放置支撑件，则由于FDM依靠喷头加热挤出的方式生产，喷头在逐层打印制造模型时就会与事先放置的支撑件碰撞。

另外FDM还存在另一个问题：打印模型的分离过程基本依靠人力，效率低，对操作人员经验要求高。人工取件的一般流程是待模型冷却下来时，找到零件的起脚点，然后利用美工刀、铲子撬起模型。但是遇到打印零件贴合紧密的情况时，将难以找到起脚点，无法撬开模型，强行分离会对零件的脆弱结构造成影响。目前尚无法实现打印件的自动分离，这极大影响了用户的操作体验。

发明内容

本发明提供了一种三维打印脱料方法，具有节省材料、自动分离打印模型，规划支撑单元运动，避免模型受损。

一种三维打印脱料方法，包括以下步骤：

(1)打印区域导入待打印模型；

(2)打印区域的下方设有阵列排布的支撑单元，根据支撑单元排布将模型所在的打印区域划分成对应数量的支撑区域；

(3)控制打印机和支撑单元工作完成实体模型的打印；

(4)根据模型的特点，对模型所在区域划分出多种分离区和推动区组合，待模型打印完成后，选择一种分离区和推动区的组合划分模型所在区域，推动区的支撑单元向上运动，与分离区产生错位以实现分离区中的模型脱模，随后推动区支撑单元回到上升前的位置，之后选择下一种分离区和推动区的组合划分模型所在区域，重复上述过程，直至遍历所有的分离区和推动区组合，使得模型完全脱模。

本发明中设有三维打印用的支撑装置，装置由多个支撑单元排列组合而成，装置位于三维打印机的成型区域下方，取代了原来的打印机基板；支撑单元可由电机驱动到目标位置。

对于任意模型，支撑单元根据待打印模型的形状和打印模型与支撑装置的相对位置组合出不同的支撑结构替代原有打印出的支撑，从而实现支撑减少的功能；上位机对模型分离时的受力状态进行分析，通过规划支撑单元运动，在不造成打印模型受损的情况下，实现打印完成时模型从支撑装置上自动分离。

优选的，步骤(4)中，根据模型的特点，对模型所在区域划分出多种分离区和推动区组合的具体步骤如下：

4-1、计算每个子区域的支撑单元推动时，模型与支撑装置间的界面应力；

4-2、计算每个子区域的支撑单元推动时，模型在分离时产生的形变应力最大值；

4-3、当任一子区域的界面应力超过界面应力临界值，同时形变应力最大值不超过模型变形临界值时，则该子区域为推动区，模型所在区域剩下部分即为分离区。子区域为一个以上支撑单元的支撑区域组合。

为了提高分离效果，优选的，步骤(4)中，分离区和推动区组合选择的顺序按照界面应力从大到小排列。

为了保证模型的完整性，优选的，步骤(4)中，所述推动区的支撑单元速度和行程依据步骤4-2的计算产生的模型形变应力最大值分成三类，若形变应力最大值较大则选择低速短行程，若形变应力最大值适中，则选择低速长行程，若形变应力最大值较小则选择最大速度长行程。

另外，上位机根据打印机运动参数和目标高度，结合事先设置好的支撑单元速度曲线，计算支撑单元的上升时刻，避免打印机和支撑装置在协调工作中发生碰撞。

所述的支撑装置取代原有的打印机基板，模型在由支撑单元组成的上表面被打印制造出来；支撑单元的规格要求一致；当支撑单元位于起始位置时，单元的上表面可以拼接成完整的平面；支撑单元应避免尖锐或者突起的形状，防止支撑单元与打印机喷嘴碰撞；支撑单元应有足够的刚度，保证支撑结构的稳定。

本发明方法由支撑单元组合出的支撑结构逼近原有的支撑结构，将大部分的支撑结构进行替代，达到减少支撑的目的。三维打印机在由支撑单元形成的支撑结构基础上继续打印少量的支撑，从而构成实体模型所需的支撑结构。

本发明方法按照支撑单元排列方式将打印空间区域细分成各个支撑区域，根据模型的形状和相对支撑装置位置计算每个支撑区域的支撑单元上升高度。模型所在区域中的支撑单元在打印过程中上升，组合出外部支撑结构代替打印出的支撑。

本发明方法中支撑单元上升高度即目标高度，是由每个支撑区域上模型最低点的高度决定的，目标高度值不大于最低点高度值，操作人员可以视实际需要设置高度余量。目标高度值为最低点高度值减去高度余量。

本发明方法中的打印模型形状指的是模型靠近支撑装置一侧的形状。模型形状可以在不影响输入的打印文件基础上进行修复，根据实际需要改变模型的精细程度。打印模型与支撑装置的相对位置指的是打印模型相对于工作原点的位置，而支撑装置的原点应与打印机工作原点重合。

本发明方法提出的避免打印机和支撑单元碰撞实质上是保证支撑单元在运动过程中低于打印机工作高度，即保持支撑单元不高于打印机喷嘴所在高度。最理想的情况是打印机喷嘴和支撑单元同时运动到目标高度，即打印喷嘴将要到达目标高度时支撑单元能及时提供支撑。

本发明方法事先设置好了支撑单元的速度曲线，只要保证支撑单元运动速度始终大于打印机在Z方向所设定的上升速度，就能避免碰撞。根据打印机运动参数得到打印机到达目标高度的时刻，则由支撑单元速度曲线和目标高度值可以反推得到支撑单元上升的时刻。

本发明方法所需的打印机运动参数包括打印机所设置各个部分打印速度、打印层的材料长度、打印机Z方向上升速度等。

本发明将离散化思想应用到三维打印领域中，在待打印模型导入上位机后，由上位机将模型所在打印区域按照其相对于支撑装置的位置和角度划分成离散的支撑区域，每个支撑区域对应一个支撑单元。上位机计算每个区域上支撑单元的目标高度，对支撑结构进行处理，减去支撑单元代替掉的体积。在打印机工作过程中，每个区域的支撑单元上升到达目标高度，然后打印机在此基础上继续打印形成完整的支撑和实体模型。所需支撑相比原有支撑结构大幅度减少，达到减少材料消耗和提高打印效率的目的。

上位机根据打印机运动参数和目标高度，结合事先设置好的支撑单元速度曲线，计算支撑单元的上升时刻，直到将要打印需要添加支撑结构的几何特征时支撑单元迅速驱动到目标高度，从而避免打印机和支撑装置在协调工作中发生碰撞。另外，上位机对模型分离时的受力状态进行分析，通过规划支撑单元运动，在不造成打印模型受损的情况下，实现打印完成时模型从支撑装置上自动分离。

优选的，步骤(3)中，控制打印机和支撑单元工作完成实体模型的打印的具体方法如下：

3-1、每个支撑区域进行遍历，获取该支撑区域上的模型最低点，设定每个支撑单元的目标高度值，目标高度值不大于最低点高度值；

3-2、对模型进行分层切片并构建层间关系，按层高用水平面与模型相交，得到一系列二维轮廓线，然后就是基于得到的轮廓线进行分类标记，识别各个特征区域，包括支撑结构区域和实体模型区域；

3-3、根据支撑单元的目标高度值，对支撑结构进行处理，减去支撑结构中支撑单元替代的部分；

3-4、根据打印机喷嘴到达支撑单元的目标高度值位置的时间，确定支撑单元的运行时刻和到达目标高度的运行速度从而使打印机喷嘴和支撑单元的顶面同时到达目标高度，并且保持所有的支撑单元的顶面时时低于打印机喷嘴；

3-5、根据步骤3-3和3-4的计算结果控制打印机和支撑单元工作完成实体模型的打印。

为了实现快速和有效的地计算，优选的，步骤3-4，根据打印机喷嘴到达支撑单元的目标高度值位置的时间，确定支撑单元的运行时刻和到达目标高度的运行速度的具体步骤如下：

3-4-1、根据步骤3-3中，打印机运动参数，包括打印机所设置各个部分打印速度、打印层的材料长度和上升速度，由这些参数得到打印机在垂直方向的速度；

3-4-2、设定出支撑单元的速度曲线，使支撑单元开始上升时支撑单元的运动速度始终大于打印机在垂直方向所设定的上升速度；

3-4-3、根据打印机喷嘴到达目标高度的时间、支撑单元的速度曲线和目标高度值，得到支撑单元上升的时刻使支撑单元与打印机喷嘴同时到达目标高度位置。

为了避免支撑单元上升时与已打印部分碰撞挤压，优选的，步骤3-2 和3-3中，打印机在打印过程中留出各支撑区域边界处水平方向的余量。

本发明的有益效果：

本发明的三维打印脱料方法对于任意模型，支撑单元根据待打印模型的形状和打印模型与支撑装置的相对位置组合出不同的外部支撑结构，代替了原有需要大量打印的支撑结构，因而得以减少材料的浪费并缩短处理时间与提高生产效率，同时也让完成三维打印后的实体物件能降低后续处理的复杂度，也减少对于环境的污染，还可以自动完成脱模，减少模型受损的可能。

附图说明

图1为本发明的三维打印脱料方法的流程示意图。

图2为使用本发明的三维打印脱料方法打印的拱桥模型在支撑装置上打印结果的立体结构示意图。

图3为图2中拱桥模型的所在区域在垂直投影方向上按支撑单元排布所划分的支撑区域。

图4为使用本发明的三维打印脱料方法打印的拱桥模型在支撑装置上打印结果的主视示意图。

图5为使用本发明的三维打印脱料方法过程中悬臂模型以及避免打印机喷嘴与支撑单元碰撞(支撑前)的打印控制过程示意图。

图6为使用本发明的三维打印脱料方法过程中悬臂模型以及避免打印机喷嘴与支撑单元碰撞(支撑中)的打印控制过程示意图。

图7为使用本发明的三维打印脱料方法的模型分离方式(推动前)的示意图。

图8为使用本发明的三维打印脱料方法的模型分离方式(推动后)的示意图。

图中的标记：100：支撑装置；110：支撑单元；200：拱桥模型；210：继续打印的支撑结构；220：所在支撑区域的支撑单元的目标高度；300：支撑区域；400：悬臂模型；410：打印过程中的悬臂模型；500：打印机喷嘴；600：打印完成后待分离模型；700：分离时产生最大形变应力区域； T：打印时刻T(此时将要打印到悬臂结构，支撑单元上升时刻)；T’：打印时刻T’(此时已在打印悬臂结构)；110’：T’时刻的支撑单元；410’： T’时刻的打印中的悬臂模型；500’：T’时刻的打印机喷嘴；S:分离区；P: 推动区。

具体实施方式

如图1～8所示，本实施例的三维打印脱料方法包括以下内容：

图2是依据图1的方法制造的拱桥模型200的打印结果的正轴测图。若按照传统方法，在打印机基板上打印制造拱桥模型200时，由于其桥洞处有大范围的悬空部分，所以需要在此处提供足够的支撑结构，以避免打印过程中悬空部分因重力影响坍塌。打印出的支撑结构在打印完成后会被剥离舍弃从而得到打印的拱桥模型200。大量的支撑结构造成了原材料的浪费，同时打印时间延长，生产效率不高。在使用本实施例需要的支撑装置100辅助打印后，能形成图2的外部支撑结构，大量减少打印出的支撑，减少材料浪费，提高打印效率。但是如果提前让支撑单元110到达目标高度220，则打印机喷嘴500在逐层打印制造过程中会与支撑单元110碰撞导致打印失败，图5和图6是本实施例提供的避免打印机喷嘴与支撑单元碰撞的打印控制过程。

在使用本实施例提供的方法实际打印制造实体模型时，请参考图1所述流程，本实施例的控制方式是生成指令进行控制，步骤S1～S8是在三维打印控制软件中实现的。

操作人员在步骤S1时导入模型，此时模型以常见的三维打印文件格式存在。此时软件需要确认打印模型与支撑装置100的相对位置，即打印模型相对于工作原点的位置，支撑装置100的原点应与打印机工作原点重合。

此后，步骤S2会根据支撑单元110排布将模型所在的打印区域划分成一个个支撑区域300，每个支撑区域300对应一个支撑单元110。请参考图3，所用的拱桥模型200所在的打印区域在垂直投影方向被划分成一个个支撑区域300，之后的操作是以支撑区域300为单位进行的。

步骤S3中会对于每个支撑区域300进行遍历，获取该区域上的模型最低点，该点的高度就是对应的支撑单元110能上升的最大高度，而目标高度值220不大于最低点高度值。操作人员可以视实际需要设置高度余量，则目标高度值220为模型最低点高度减去高度余量。

步骤S4对模型分层切片并构建层间关系，按层高用水平面与模型相交，得到一系列二维轮廓线，然后就是基于得到的轮廓线进行分类标记，识别各个特征区域，比如支撑结构区域和实体模型区域。之后的打印路径会依照区域特点和事先设置的区域特征参数进行规划。

步骤S5是对S4中识别的支撑结构进行计算处理的过程。因为支撑单元110上升构成的外部支撑取代了该处原有的支撑结构，所以该处就不用再打印支撑。而S4中支撑结构的起始生成位置为打印机基板，所以步骤 S5就是将各个支撑区域300上的起始生成位置进行偏移，将其移至该区域的目标高度220处。请参考图2，拱桥模型200所在打印区域的支撑单元110上升到目标高度220之后，打印机继续在支撑单元110上打印支撑结构和实体模型，此时各个支撑区域300中的支撑结构起始生成位置都进行了偏移，移动到了目标高度220处，最终实现了支撑减少的目的。在此步中需要留出支撑区域300边界处水平方向的余量，这是因为实际制造过程中模型实际位置和理论位置存在偏差，如果没有余量，就使得在支撑区域300边界处继续打印出的支撑结构过界，从而造成相邻区域的支撑单元 110上升时与过界的支撑结构碰撞。在完成步骤S5后，模型三维文件转化处理过程就结束了。

此后步骤S6就是对各个特征区域和支撑结构按其特征和参数设置进行打印机的路径规划，包括打印速度、出料速度等，然后生成打印机的工作指令。

步骤S7是基于打印模型的参数和支撑单元推力数值分析模型在分离时的受力状态并寻求最佳脱离策略：打印模型的参数包括模型的形状、尺寸、材料、所在支撑区域等信息，这些信息由软件在步骤S2、S4中获得，而支撑单元的推力是事先测量所得。这里的模型分离指的是在打印完成后利用支撑单元110的升降错位将模型从支撑装置100上分离。受力状态分析包括分离时模型的应力情况和模型与支撑装置100接触的界面应力情况，两种情况分析是为了避免分离导致的零件脆弱部分受损以及寻找最易分离的支撑单元110运动方式。

实施例采用的是逐步分离方法。请参考图7和图8，每次操作在模型 600所在区域上划分出分离区S和推动区P，推动区P上的支撑单元110 推动模型600上升，利用模型形变产生的应力破坏模型600与支撑装置100 在分离区S上的结合面，实现局部模型的分离，此后推动区的支撑单元110 回到原来位置，则算完成一次操作。此后每次操作都是重新划分分离区S 和推动区P，推动区P上升使得分离区S上模型分离，然后回到原来的位置。

每次分离时的分离区S与推动区P的划分则是由上位机进行受力分析得到的：软件首先会对模型结构进行转化处理，将复杂结构转化成常规结构；其次任选一个以上支撑单元110对应的支撑区域300组成子区域，计算子区域上的支撑单元110在上升时模型600与支撑装置100间的界面应力最大值，并计算模型600在此时具有的形变应力最大值；然后当界面应力最大值超过界面应力临界值且形变应力最大值低于形变临界值时，该子区域为一种合适的推动区P的选择，剩余部分即为分离区S；最后得到一系列可行的分离区S和推动区P的组合，则每次操作时的分离区S和推动区P选择的顺序按照计算得到的界面应力从大到小排列。

同时形变最大区域700是该模型在此次分离时最易受损的区域，形变应力最大值会在此处产生。根据形变应力最大值，通过下一步推动区P的支撑单元运动规划可以避免模型受损。上述的临界值都可以事先测得。

在得到打印机运动路径和模型脱离策略后，步骤S8将规划支撑单元的运动。首先会通过求解单元上升时刻T来保证打印机喷嘴500和支撑单元110在工作中不发生碰撞，具体方法如下：步骤S6中已经获得了打印机运动参数，包括打印机所设置各个部分打印速度、打印层的材料长度、打印机Z方向上升速度等，由这些参数得到打印机在Z方向的位移随时间变化关系。因此支撑单元110运动时的位移量始终不大于打印机的Z方向位移，直到T’时刻才同时达到目标高度220，这样才能避免碰撞的发生。上述条件是规划支撑单元运动路径的基础。当支撑单元110连续上升时，只要保证支撑单元110运动速度始终大于打印机在Z方向所设定的上升速度，就能避免支撑单元110在未到达目标高度时就追上打印机。该条件是上一段所说的基本条件数学上的强化。本实施例在软件中依据所述强化条件设置好了支撑单元的速度曲线。由打印机运动参数可以计算得到打印机是在T’时刻到达目标高度，则根据支撑单元速度曲线和目标高度值可以反推得到支撑单元上升的时刻T。

其次支撑单元110依照模型脱离策略，分步执行相应操作实现模型从支撑装置100上的分离：每次操作时推动区P的支撑单元110上升，完成分离区S上模型部分的分离，然后回到打印结束时的位置，再执行下一次操作；支撑单元110速度和行程依据步骤S7得到的该次操作产生的形变应力最大值分成三类。若应力值较大则选择低速短行程，若应力值适中，则选择低速长行程，若应力值可以忽略，则选择最大速度和长行程。

此后步骤S9将打印机指令和支撑单元指令按一定规则进行合并输出，开始逐层打印实体模型进入实际打印阶段。这里的规则是根据打印机和支撑装置100的硬件连接条件决定的：若采用串联式连接方式，则支撑装置指令直接插入打印机指令中，因为打印机指令按高度划分排布，所以只要在目标高度的代码前插入支撑装置指令；若打印机和支撑装置100是各自独立的，则需要在打印机指令中增加提示指令，用于指示支撑单元110 开始运动时刻T，当上位机处理提示指令时就发出支撑装置指令。

步骤S10是避免打印机喷嘴500与支撑单元110碰撞的具体打印控制过程，本质上要保证支撑单元110在运动过程中低于打印机工作高度，即保持支撑单元110不高于打印机喷嘴500所在高度。请参考图3，最理想的情况是打印机喷嘴500和支撑单元110同时运动到目标高度220，T时刻打印机将要打印到悬臂模型410的悬臂结构，所在区域的支撑单元110开始上升，而T’时刻打印机已经在打印悬臂模型410’的悬臂结构，支撑单元110’已经上升到目标高度220提供支撑。

在步骤S11中，在支撑单元110形成支撑结构的基础上打印机继续打印少量的支撑结构来构成模型完整的支撑和实体模型。

随后步骤S12将实体模型从支撑装置100上分离下来，经过简单的后处理得到完整模型。

然后步骤S13时支撑单元110回到其在支撑装置100初始位置，电机停止。

最后步骤S14打印过程结束。

在使用本实施例提供的方法进行打印时，需要提供支撑装置100取代原有的打印机基板，支撑装置100由多个支撑单元110排列组合而成，模型在由支撑单元110组成的上表面被打印制造出来；支撑单元110的规格要求一致，其顶面能拼接出完整的平面，不能存在过大的空隙；支撑单元 110外形上应避免尖锐或者突起的形状，以避免构建外部支撑时打印机喷头与突出的支撑结构碰撞；支撑单元110应有足够的刚度，保证支撑结构的稳定；支撑单元110同时需要可控，有足够的运动精度，能保证运动误差不影响打印质量。

综上所述，在本实施例中，对于任意模型，支撑单元110根据待打印模型的形状和打印模型与支撑装置100的相对位置组合出不同的外部支撑结构，代替了原有需要大量打印的支撑结构，因而得以减少材料的浪费并缩短处理时间与提高生产效率，同时也让完成三维打印后的实体物件能降低后续处理的复杂度，也减少对于环境的污染。其次，上位机可以事先根据打印机运动参数、目标高度，结合事先设置好的支撑单元速度曲线，计算支撑单元110上升的时刻T，从而保证支撑单元110运动过程中高度不高于打印机喷嘴500高度，避免打印机和支撑单元110在协调工作中发生碰撞。再者，上位机对模型分离时的受力状态进行分析，通过规划支撑单元110运动采用逐步分离的方式，在不造成打印模型受损的情况下，实现打印完成时模型从支撑装置100上自动分离。

最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种三维打印脱料方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)打印区域导入待打印模型；

(2)打印区域的下方设有阵列排布的支撑单元，根据支撑单元排布将模型所在的打印区域划分成对应数量的支撑区域；

(3)控制打印机和支撑单元工作完成实体模型的打印；

(4)根据模型的特点，对模型所在区域划分出多种分离区和推动区组合，待模型打印完成后，选择一种分离区和推动区的组合划分模型所在区域，推动区的支撑单元向上运动，与分离区产生错位以实现分离区中的模型脱模，随后推动区支撑单元回到上升前的位置，之后选择下一种分离区和推动区的组合划分模型所在区域，重复上述过程，直至遍历所有的分离区和推动区组合，使得模型完全脱模；

其中，将模型所在区域划分出多种分离区和推动区组合的具体步骤如下：

4-1、计算每个子区域的支撑单元推动时，模型与支撑装置间的界面应力；

4-2、计算每个子区域的支撑单元推动时，模型在分离时产生的形变应力最大值；

4-3、当任一子区域的界面应力超过界面应力临界值，同时形变应力最大值不超过模型变形临界值时，则该子区域为推动区，模型所在区域剩下部分即为分离区；子区域为一个以上支撑单元所在的支撑区域组合；

分离区和推动区组合选择的顺序按照界面应力从大到小排列；推动区的支撑单元速度和行程依据步骤4-2的计算产生的模型形变应力最大值分成三类，若形变应力最大值较大则选择低速短行程，若形变应力最大值适中，则选择低速长行程，若形变应力最大值较小则选择最大速度长行程。

2.如权利要求1所述的三维打印脱料方法，其特征在于，步骤(3)中，控制打印机和支撑单元工作完成实体模型的打印的具体方法如下：

3-1、每个支撑区域进行遍历，获取该支撑区域上的模型最低点，设定每个支撑单元的目标高度值，目标高度值不大于最低点高度值；

3-2、对模型进行分层切片并构建层间关系，按层高用水平面与模型相交，得到一系列二维轮廓线，然后就是基于得到的轮廓线进行分类标记，识别各个特征区域，包括支撑结构区域和实体模型区域；

3-3、根据支撑单元的目标高度值，对支撑结构进行处理，减去支撑结构中支撑单元替代的部分；

3-4、根据打印机喷嘴到达支撑单元的目标高度值位置的时间，确定支撑单元的运行时刻和到达目标高度的运行速度从而使打印机喷嘴和支撑单元的顶面同时到达目标高度，并且保持所有的支撑单元的顶面时时低于打印机喷嘴；

3-5、根据步骤3-3和3-4的计算结果控制打印机和支撑单元工作完成实体模型的打印。

3.如权利要求2所述的三维打印脱料方法，其特征在于，步骤3-4，根据打印机喷嘴到达支撑单元的目标高度值位置的时间，确定支撑单元的运行时刻和到达目标高度的运行速度的具体步骤如下：

3-4-1、根据步骤3-3中，打印机运动参数，包括打印机所设置各个部分打印速度、打印层的材料长度和上升速度，由这些参数得到打印机在垂直方向的速度；

3-4-2、设定出支撑单元的速度曲线，使支撑单元开始上升时支撑单元的运动速度始终大于打印机在垂直方向所设定的上升速度；

3-4-3、根据打印机喷嘴到达目标高度的时间、支撑单元的速度曲线和目标高度值，得到支撑单元上升的时刻使支撑单元与打印机喷嘴同时到达目标高度位置。

4.如权利要求2所述的三维打印脱料方法，其特征在于，步骤3-2和3-3中，打印机在打印过程中留出各支撑区域边界处水平方向的余量。

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