CN110774584A - 一种基于极坐标系的3d打印方法 - Google Patents

Abstract

一种基于极坐标系的3D打印方法，包括以下步骤：1)，利用三维建模软件对需要的台阶轴零件进行实体建模，并生成STL格式的文件；2)，通过软件算法对导入切片软件的STL格式的三维模型进行分析，寻找到基准线；3)，利用切片软件对实体模型进行切片后，寻找实体模型的旋转基准线，获得实体模型上各点相对与原点的极径ρ和回转所需要的极角θ；4)，将获得的一系列数据以极径和极角与Z方向的厚度储存；5)，在G‑code文件中进行圆弧插补方式计算坐标关系，根据储存的数据，以极坐标的形式驱动打印头运动位置，对被打印件逐层打印；6)，对逐层打印的零件进行修整、打磨、抛光、染色等后期处理；具有打印效率、打印精度高的特点。

Description

一种基于极坐标系的3D打印方法

技术领域

本发明属于3D打印技术领域，具体涉及到一种基于极坐标系的3D打印方法。

背景技术

目前，现阶段技术较为成熟的3D打印成形方式很多，大概分为以下几种类型：光固化型、粉末床熔融(PBF)型、粘结剂喷射型、材料喷射型、层压型、材料挤出型、定向能量沉积型、混合增材制造型等。其中，由于工程塑料成本低廉，普遍适用于各类强度要求较低的场合，是目前最为普及的3D材料，而工程类塑料主要采取熔融沉积(FDM)打印方式进行。

熔融沉积型3D打印过程中，3D打印系统中喷头的朝向将会直接影响材料融合度的高低，为求最大的材料融合度，喷头的朝向一般都是竖直向下，使材料在加热后受自身重力作用进行最大程度融合。

本发明对现阶段市场上存在的各种3D打印机的打印方法进行了分析、整理、归纳以及总结后，发现目前市场上绝大多数的3D打印机的打印步骤几乎完全一样，即打印步骤如下所示：

1)利用三维建模软件对产品进行建模，并生成STL格式的文件；

2)通过软件算法对导入切片软件的STL格式的三维模型进行分析；

3)对三维模型分层切片，得到该模型每一层的模型(x，y)数据；

4)将数据输出成3D打印机能识别的G-code文件并导入3D打印机；

5)通过控制板识别G-code文件，并控制3D打印机逐层打印成型；

6)对成型的零件进行修整、打磨、抛光、染色等后期处理。

通过进一步对步骤2)、3)进行分析以及总结后发现，目前市场上的3D打印机在打印与3D打印机内水平方向上所有滚珠丝杠的轴线都不平行的直线或者曲线时，打印机的喷头实际所走的轨迹并不是一条笔直的直线或者完全贴合的曲线，而是以一种台阶式的折线拟合而成的直线或者曲线作为打印轨迹(很多打印机也会XY两个轴同时运动，以形成光滑的斜线)，如图1以直线为演示：理想打印状态下要走的是从A到B的直线，但是打印机实际走的却是从A到B的阶梯式折线，只不过打印机内部的滚珠丝杠的单位进给量很小，以至于人的肉眼很难分辨出来。

一般市场上的打印机识别模型数据并不是识别实体模型中的所有数据，而是一系列关键点的数据，打印机在打印时会读取这些关键点的数据并依次进行打印，但是这些关键点并不是连续的，中间会有无数个点没有进行数据记录，这时就需要打印机中的控制板进行插补运算，一般插补分为折线插补和切线插补。传统3D打印机在打印直线时，两个关键点间会进行折线插补方式(如图1所示)，用横平竖直的折线对直线进行逼近，并逐一进行计算折线拐点处点的数据，并按该数据进行走线打印；传统3D打印机在打印圆弧时，两个关键点间也会进行插补运算，有两种插补方式：折线插补和切线插补，圆弧的折线插补与直线的插补原理完全一样(如图2(a)所示)，而圆弧的切线插补方式并不是以折线进行插补，而是以圆弧两点间的切线进行插补(如图2(b)所示)。

因为市面上大多数的3D打印机的喷头实际走的是拟合成的阶梯式折线，即折线插补方式，那么在打印过程中两条相邻的阶梯式折线间就不能完美啮合，使得在打印过程中两条相邻的阶梯式折线上的打印材料间就会有微小的缝隙，如此就造成了打印成型时打印材料的融合度不能达到最佳程度，影响最终的被打印件的打印精度、表面粗糙度以及内部性能。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于极坐标系的3D打印方法，该打印方法能在很大程度上解决上述问题，而在回转体零件上能够完全解决该问题，具有打印效率、打印精度高的特点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于极坐标系的3D打印方法，包括以下步骤：

步骤1，利用三维建模软件对需要的台阶轴零件进行实体建模，并生成STL格式的文件；

步骤2，通过软件算法对导入切片软件的STL格式的三维模型进行分析，首先寻找到该回转体的对称轴，即基准线；

步骤3，利用切片软件对实体模型进行切片后，寻找实体模型的旋转基准线，以基准线为极坐标的原点获得实体模型上各点相对与原点的极径ρ和回转所需要的极角θ；如果当被打印的实体模型的基准线发生改变时，依然可以参照该方法，每一次切片以前都需要寻找变化的基准线，再以该基准线进行切片，再根据实体模型的几何尺寸获得极径和极角；

步骤4，将步骤3获得的一系列数据以极径和极角与Z方向的厚度储存；

步骤5，在G-code文件中进行圆弧插补方式计算坐标关系，根据步骤4中储存的数据，以极坐标的形式驱动打印头运动位置，对被打印件进行逐层打印；

步骤6，对逐层打印的零件进行修整、打磨、抛光、染色等后期处理。

所述的极角θ：-180≤θ≤+180。

本发明的有益效果是：

本发明的基于极坐标系的3D打印方法区别于其它一般市场上的打印系统的主要特点还在于：

(1)本发明的基于极坐标系的3D打印方法中喷头的相对运动轨迹不以滚珠丝杠的单位进给量的倍数进行运动，即其运动轨迹不以阶梯式折线拟合而成，而是以一系列的不同曲率半径的圆弧段平滑连接，用多组连续的圆弧段数据直接形成各种曲线，相比传统3D打印机能获得更高的打印精度，由于采用直接打印圆弧的方式，避免了传统3D打印机采用直线插补的方式，其打印效率也明显提高；

(2)本发明的基于极坐标系的3D打印方法适合打印含有较多曲线、曲面的零件，尤其对于曲率变化不明显的回转类零件效果更佳，其实体模型边曲线的形状直接就是圆弧，完全贴合该打印方法，节省了实体模型数据的复杂处理过程，极大地提高了该打印系统的打印效率；

(3)本发明的基于极坐标系的3D打印方法在打印的过程中，运动轨迹为一系列的不同曲率半径的圆弧段平滑连接，用多组连续的圆弧段数据直接形成各种曲线打印轨迹，两条相邻的打印轨迹间能完美贴合，使得在打印过程中两条相邻的打印轨迹间的打印材料间的融合度达到了最佳程度，极大的提高了最终被打印件的打印精度、表面粗糙度以及内部性能。

附图说明

图1为现有3D打印机的喷头打印直线的实际运动轨迹对比图。

图2(a)为现有3D打印机的控制板对圆弧的直线插补运算方法的原理图。

图2(b)为现有3D打印机的控制板对圆弧的切线插补运算方法的原理图。

图3为本发明的3D打印系统打印回转体零件的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和发明内容对本发明作进一步详细说明：

以下结合打印台阶轴的具体实施案例详细说明一下本发明的打印步骤，参见图3，基于极坐标系的3D打印设计方法，包括以下步骤：

步骤1，利用三维建模软件对需要的台阶轴零件进行实体建模，并生成STL格式的文件；

步骤2，通过软件算法对导入切片软件的STL格式的三维模型进行分析，首先寻找到该回转体的对称轴，即基准线；

步骤3，利用切片软件对实体模型进行切片后，寻找实体模型的旋转基准线，以基准线为极坐标的原点获得实体模型上各点相对与原点的极径ρ和回转所需要的极角θ，以基准线为基准，在Z轴方向上进行切片，两层切片间的距离为每一次切片的厚度，该厚度在同一台打印机上为一固定的数值，记为厚度L，不同类型、品种和厂家的打印机的切片厚度一般情况下不相同，但是一般都在一个合理的范围内，即：0.025mm≤L≤1mm；对该台阶轴的实体模型进行切片时，在每一层上再以Z轴为基准，获得台阶轴第一台阶的极径ρ₁₁和极角θ₁₁，然后Z轴坐标抬高一个厚度L，继续记录接下来每一层的切片数据(ρ₁₂，θ₁₂)、(ρ₁₃，θ₁₃)……，当抬升到台阶轴的直径发生变化时，依然以Z轴为基准进行切片，获得该台阶轴第二台阶的极径ρ₂₁和极角θ₂₁，以及(ρ₂₂，θ₂₂)、(ρ₂₃，θ₂₃)……，当台阶轴为N阶时，根据此方法依次类推，获得极径ρ_n1和极角θ_n1；

如果当被打印的实体模型的基准线发生改变时，依然可以参照该方法，每一次切片以前都需要寻找变化的基准线，再以该基准线进行切片，再根据实体模型的几何尺寸获得极径和极角；

步骤4，将步骤3获得的一系列数据以极径和极角与Z方向的厚度储存；

步骤5，在G-code文件中进行圆弧插补方式计算坐标关系，根据步骤4中储存的数据，以极坐标的形式驱动打印头运动位置，对被打印件进行逐层打印；

步骤6，对逐层打印的零件进行修整、打磨、抛光、染色等后期处理。

本发明中主要介绍了该打印方法在回转体零件上的应用。本发明从3D打印机喷头的实际运动轨迹出发，对本文背景技术中的一般市场上的3D打印机的打印步骤2)、3)进行了改进，采用新的切片软件，放弃当前切片软件对实体模型切片后的数据储存方式，利用新的切片软件对实体模型进行切片后，寻找实体模型的旋转基准线(图3所示)，以基准线为极坐标的原点获得实体模型上各点相对与原点的极径ρ和回转所需要的极角θ(-180≤θ≤+180，定义：极角θ为切片平面内极径与X轴正向间的夹角，逆时针为正，顺时针为负)，即舍弃了传统3D打印机对实体模型进行切片后所得数据的储存X与Y坐标的方式，改为了基于极坐标系的储存方式。另外，由于对实体模型切片后其几何尺寸的储存方式改为极径ρ和极角θ，所以原始的基于笛卡尔坐标系的打印机中对G-code文件中的(x，y)坐标群的处理方式不能延用，将重新开发一种能直接打印圆弧的G-code文件，即对步骤4)也需要改进，改为对(ρ，θ)数据群进行读取并打印成型，其中ρ为三维模型切片后每一片模型的边曲线上一点的极限曲率半径，简称极径ρ；θ为三维模型切片后每一片模型的边曲线上该点曲线对应的极限圆心角，简称极角θ(如图3所示)，这是对传统的基于笛卡尔坐标系的3D打印机的打印方式进行的根本性改进。

本发明的基于极坐标系的3D打印方法中喷头的相对运动轨迹不以滚珠丝杠的单位进给量的倍数进行运动，即其运动轨迹不以阶梯式折线拟合而成，而是以一系列的不同曲率半径的圆弧段平滑连接，用多组连续的圆弧段数据直接形成各种曲线。该打印方法较为适合打印含有曲线、曲面的零件，尤其对于曲率变化不明显的回转类零件，本发明中的打印方法相比传统3D打印机能获得更高的打印精度，由于采用直接打印圆弧的方式，避免了传统3D打印机采用直线插补的方式，其打印效率也明显提高。

Claims (2)

1.一种基于极坐标系的3D打印方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，利用三维建模软件对需要的台阶轴零件进行实体建模，并生成STL格式的文件；

步骤2，通过软件算法对导入切片软件的STL格式的三维模型进行分析，首先寻找到该回转体的对称轴，即基准线；

步骤3，利用切片软件对实体模型进行切片后，寻找实体模型的旋转基准线，以基准线为极坐标的原点获得实体模型上各点相对与原点的极径ρ和回转所需要的极角θ；

当被打印的实体模型的基准线发生改变时，依然可以参照该方法，每一次切片以前都需要寻找变化的基准线，再以该基准线进行切片，根据实体模型的几何尺寸获得极径和极角；

步骤4，将步骤3获得的一系列数据以极径和极角与Z方向的厚度储存；

步骤5，在G-code文件中进行圆弧插补方式计算坐标关系，根据步骤4中储存的数据，以极坐标的形式驱动打印头运动位置，对被打印件进行逐层打印；

步骤6，对逐层打印的零件进行修整、打磨、抛光、染色等后期处理。

2.根据权利要求1所述的一种基于极坐标系的3D打印方法，其特征在于，所述的极角θ：-180≤θ≤+180。

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