CN111941587B - 一种面向陶瓷3d打印的放样曲面生成方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种面向陶瓷3D打印的放样曲面生成方法及系统，所述方法包括：接收模型的顶面轮廓曲线、底面轮廓曲线及模型高度；基于顶面轮廓曲线、底面轮廓曲线及模型高度进行基于放样曲面的建模；基于样条曲线对曲面形状进行控制，生成初始放样曲面模型；在初始放样曲面模型中嵌入周期参数曲线进行建模，调整周期参数曲线周期和振幅生成带有几何纹理的放样曲面。通过基于放样技术的大尺度建模和基于嵌入几何纹理的小尺度建模生成带有几何纹理的曲面，并在建模过程中基于控制线进行模型形状调整，操作简单，为用户提供了充足的设计空间和自由度。
Description
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，特别是涉及一种面向陶瓷3D打印的放样曲面生成方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
陶瓷密度低，耐高温、耐腐蚀，具有较高的机械强度和硬度，同时具备良好的化学稳定性，适用于航空航天、生物医学、化工、电子以及机械等多个领域。相比于传统陶瓷制作工艺，基于3D打印的陶瓷制造效率高且工艺简单，尤其在生成几何结构复杂或者精度较高的模型时，其优势尤为明显。可应用于陶瓷3D打印的材料有很多，例如混凝土、工程陶瓷以及生物陶瓷等，而最常见且最易获取的就是陶泥材料。
近年来，随着桌面级陶瓷3D打印机的日益普及，越来越多的用户选择个性化定制模型并基于陶泥进行打印制造。但是，发明人发现由于专业CAD建模软件操作复杂且学习成本高，对于缺乏专业建模知识的普通用户来说，很难基于专业软件设计出理想模型；且不同于一般3D打印工艺中材料在沉积后迅速固化的特性，陶泥材料在整个打印过程中会一直保持相对柔软，当在不同打印区域间出现移动喷头的空行程，已成型部分与喷头间由于陶泥的黏连性将会产生形变或破坏；除此之外，在基于陶泥的陶瓷3D打印过程中，待打印模型各个区域间高度差过大会造成的打印机喷头与打印模型之间的碰撞，也会造成模型的打印失败。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种面向陶瓷3D打印的放样曲面生成方法及系统，通过基于放样技术的大尺度建模和基于嵌入几何纹理的小尺度建模生成带有几何纹理的曲面，并在建模过程中基于控制线进行模型形状调整，操作简单，为用户提供了充足的设计空间和自由度，能够快速得到面向陶瓷3D打印的打印文件。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
第一方面，本发明提供一种面向陶瓷3D打印的放样曲面生成方法，包括：
接收模型的顶面轮廓曲线、底面轮廓曲线及模型高度；
基于顶面轮廓曲线、底面轮廓曲线及模型高度进行基于放样曲面的建模；
基于样条曲线对曲面形状进行控制，生成初始放样曲面模型；
在初始放样曲面模型中嵌入周期参数曲线进行建模，调整周期参数曲线周期和振幅生成带有几何纹理的放样曲面。
第二方面，本发明提供一种面向陶瓷3D打印的放样曲面生成系统，包括：
用户交互模块，被配置为接收模型的顶面轮廓曲线、底面轮廓曲线及模型高度；
大尺度建模模块，被配置为基于顶面轮廓曲线、底面轮廓曲线及模型高度进行基于放样曲面的建模；基于样条曲线对曲面形状进行控制，生成初始放样曲面模型；
小尺度建模模块，被配置为在初始放样曲面模型中嵌入周期参数曲线进行建模，调整周期参数曲线周期和振幅生成带有几何纹理的放样曲面。
第三方面，本发明提供一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成权所述的方法。
第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成所述的方法。
第五方面，本发明提供一种3D打印系统，包括所述的电子设备和3D打印机，所述电子设备生成打印文件并传输至3D打印机。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明通过基于放样技术的大尺度建模和基于嵌入几何纹理的小尺度建模生成带有几何纹理的曲面，并在建模过程中基于控制线进行模型形状调整，为用户提供了充足的建模空间设计空间和自由度，且模型生成效率高、操作简单；能够有效生成可直接进行陶瓷3D打印的带纹理放样曲面的G-code文件。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例1提供的面向陶瓷3D打印的放样曲面生成方法流程图；
图2为本发明实施例1提供的输入参数示意图；
图3(a)和图3(b)分别为本发明实施例1提供的顶端和底端轮廓采样示意图和线性插值示意图；
图4(a)和图4(b)分别为本发明实施例1提供的控制曲线调整示意图和调整后的模型整体轮廓示意图；
图5为本发明实施例1提供的免支撑调整示意图；
图6为本发明实施例1提供的模型与打印机喷头碰撞示意图；
图7为本发明实施例1提供的嵌入几何纹理示意图；
图8为本发明实施例1提供的生成单一连续打印路径示意图；
图9(a)-9(d)为本发明实施例1提供的基于大尺度建模生成的放样曲面以及分别嵌入正弦函数波、三角波以及方波后得到的放样曲面陶瓷3D打印结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种面向陶瓷3D打印的放样曲面生成方法，包括：
S1：接收用户输入的模型顶面轮廓曲线Cupper、下底面轮廓曲线Clower以及模型高度值H；
S2：基于Cupper、Clower和H进行基于放样曲面的大尺度建模，利用样条曲线对曲面形状进行控制，在免支撑和免碰撞制造约束下对曲面形状进行调整，生成初始放样曲面；
S3：在当前曲面参数空间中嵌入周期参数曲线进行小尺度建模，调整曲线周期和振幅生成带有几何纹理的放样曲面。
所述步骤S1中，输入模型上顶面和下底面轮廓曲线以及模型高度，具体包括：
S1-1：用户在给定平面画布上绘制两条封闭曲线Cupper和Clower(分别表示模型顶面与下底面的轮廓线)，并输入模型高度H，如图2所示，随后将Cupper和Clower映射到世界坐标系中，此时Cupper位于z＝H平面，Clower位于z＝0平面，分别计算两条曲线在x轴方向上最左和最右两个端点，并将Cupper和Clower以两端点连线中点为基准对齐。
所述步骤S2中：基于放样技术在Cupper和Clower间做插值运算生成多个中间截面，再利用基于样条曲线所表示的控制线对当前曲面形状进行宏观控制，并在免支撑和免碰撞约束下对曲面形状进行调整，具体包括：
S2-1：在Cupper和Clower上做等距采样，生成数量相同的采样点集合Vupper和Vlower，然后根据用户绘制曲线时经过这些点的顺序，对两个集合中的采样点排序并建立一一对应的关系，如图3(a)所示；
S2-2：遍历Vupper和Vlower中每一个点对，在每两点之间进行线性插值生成数量相等且均为N的位于中间位置的采样点集合Vmiddle，如图3(b)所示：
Vmiddle＝uVupper+(1-u)Vlower，
其中u∈(0,1)；
S2-3：为扩展建模空间，即对当前放样曲面的形状进行宏观上的控制，本实施例为用户提供了样条曲线来调整模型中间截面的位置、缩放以及上顶面轮廓曲线在z轴上的高低变化，并称这些样条曲线为控制线，如图4(a)所示，其中，水平方向控制线是上顶面轮廓曲线最左和最右两个端点的连线，竖直方向上的两条控制线分别是上顶面和下底面轮廓曲线最左端点以及二者之间所有采样点的连线，以及上顶面和下底面轮廓曲线最右端点以及二者之间所有采样点的连线，具体的基于控制线对曲面形状进行控制的过程包括：
S2-3-1：对水平方向控制线进行上下拉伸，改变模型上顶面轮廓曲线在z轴方向上的高低起伏变化；
S2-3-2：将Vupper中所有采样点投影到初始水平方向控制线，并基于投影点在拉伸后控制线上的位置得到采样点在新曲面模型上的z轴值；
S2-3-3：遍历Vupper中每一个采样点，若该点的z轴值因为控制线的调整发生变化，则重新在该点与Vlower中对应点之间进行插值计算，生成N个中间截面上的点替代原来对应的N个插值点；
S2-3-4:对竖直方向上的两条控制线进行左右拉伸，对中间截面进行等距缩放，具体地，沿z轴方向从下到上遍历N层用采样点表示的中间截面，对于每一个中间截面，计算初始时该截面x轴方向上最左和最右两个端点坐标值以及连接这两点线段的中心点O，然后根据左右两条竖直方向控制线的变化计算这两点新的坐标值以及新的中心点位置O'，接着根据这两点在控制线调整前后的欧式距离的变化比例对该截面所包含的所有点进行以O'为基点的等比缩放；拉伸后模型整体轮廓如图4(b)所示。
S2-4：为保证模型免支撑打印，对于模型倾角大于阈值45°的结构需要对其进行局部调整，具体包括：
S2-4-1：对于Vupper和Vlower中每组对应点以及它们之间基于插值生成的N层中间截面点，沿着z轴从下到上进行遍历；
S2-4-2：对于每个点，计算连接其与其上一层邻居采样点的直线与z轴的夹角，若该角度大于阈值45°，则在保证z轴坐标值不变的情况下对其上一层邻居采样点的x坐标和y坐标值进行放缩，直到该夹角小于等于45°，同时对于其邻居采样点之后的所有采样点也需要做同等操作，如图5所示；
S2-5：为避免打印过程中打印机喷头与物理模型之间的碰撞，如图6所示，在用户调整水平方向控制线时，禁止控制线最高点和最低点在z轴方向上的高度差大于打印机喷头长度；
所述步骤S3中，在当前曲面参数空间中嵌入各种周期参数曲线以生成带有纹理的曲面模型，具体包括：
S3-1：将Cupper和Clower中任意两个对应点以及它们之间的插值点所在的方向抽象为y方向，将位于同一截面层的点所在方向抽象为x方向；
S3-2：在x方向和y方向上分别选择周期参数曲线进行嵌入，即将这两个方向上两点间连线用周期参数曲线代替，如图7所示；
S3-3：调整周期参数曲线的周期(一个周期内所包含的采样点数量)和曲线的振幅大小(振幅方向为曲面法线方向)两个参数，在模型表面生成丰富细致的几何纹理。
上述步骤S1-S3实现了模型的设计和生成，在得到表面具有几何纹理的模型后，为实现3D打印，本实施例还进一步包括以下步骤：
S4：按螺旋方式生成单一连续的打印路径，并结合打印机喷头固定移动速度和固定挤出量生成用于陶瓷3D打印的打印文件；
S5：将打印文件传输至3D打印机，以对带有几何纹理的3D曲面模型进行陶瓷3D打印后，得到3D曲面实物。
所述步骤S4中，将上顶面、下底面以及中间截面层上的采样点作为打印机喷头的移动位置，将所有层的点按照螺旋方式逐层连接起来生成单一连续的打印路径，如图8所示，然后结合打印机喷头固定移动速度和固定挤出量生成用于陶瓷3D打印的打印文件；
所述步骤S5中，基于挤出式陶瓷3D打印机以及陶泥材料，对建模后得到的带有几何纹理的3D放样曲面模型进行陶瓷3D打印，得到3D曲面实物；如图9从左至右所示分别为基于大尺度建模生成的放样曲面以及分别嵌入正弦函数波、三角波以及方波后得到的放样曲面的陶瓷3D打印结果。
本实施例在对曲面进行建模时，采用了基于放样曲面的大尺度曲面建模和基于嵌入周期曲线的小尺度曲面建模，同时为保证模型可打印，在大尺度建模中满足了免支撑和免碰撞的制造约束，并以螺旋方式逐层连接各个截面上的采样点生成单一连续的打印路径，最后结合打印机喷头移动速度和挤出量生成用于陶瓷3D打印的打印文件。
通过基于放样技术的大尺度建模能够快速生成初始放样曲面，然后基于控制线进行模型形状调整，以得到符合用户要求的曲面整体形状，操作简单；在此基础上基于嵌入几何纹理的小尺度建模，能够快速生成带有几何纹理的曲面，该建模方法为用户提供了充足的设计空间和自由度，且模型修正方法简单快捷。
为满足陶瓷材料的3D打印，本实施例还基于陶瓷3D打印制造约束对模型形状进行调整，最终可直接生成可用于陶瓷3D打印的G-code文件。
实施例2
本实施例提供本发明提供一种面向陶瓷3D打印的放样曲面生成系统，包括：
用户交互模块，被配置为接收模型的顶面轮廓曲线、底面轮廓曲线及模型高度；
大尺度建模模块，被配置为基于顶面轮廓曲线、底面轮廓曲线及模型高度进行基于放样曲面的建模；基于样条曲线对曲面形状进行控制，生成初始放样曲面模型；
小尺度建模模块，被配置为在初始放样曲面模型中嵌入周期参数曲线进行建模，调整周期参数曲线周期和振幅生成带有几何纹理的放样曲面。
为实现3D打印，本系统还包括：
打印文件生成模块，被配置为：按螺旋方式生成单一连续的打印路径，并结合打印机喷头固定移动速度和固定挤出量生成用于陶瓷3D打印的打印文件；
打印输出模块，被配置为：将打印文件传输至3D打印机，以对带有几何纹理的3D曲面模型进行陶瓷3D打印后，得到3D曲面实物。
此处需要说明的是，上述模块对应于实施例1中的步骤S1至S5，上述模块与对应的步骤所实现的示例和应用场景相同，但不限于上述实施例1所公开的内容。需要说明的是，上述模块作为系统的一部分可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。
实施例3
本实施例的目的是提供一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成实施例1中所述的方法。为了简洁，在此不再赘述。
实施例4
本实施例的目的是提供一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成实施例1中所述的方法。为了简洁，在此不再赘述。
实施例5
本实施例的目的是提供一种3D打印系统，包括如实施例3所述的电子设备和3D打印机，所述电子设备生成打印文件并传输至3D打印机，以得到3D曲面实物。
应理解，上述本实施例中，处理器可以是中央处理单元CPU，处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器DSP、专用集成电路ASIC，现成可编程门阵列FPGA或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
存储器可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器提供指令和数据、存储器的一部分还可以包括非易失性随机存储器。例如，存储器还可以存储设备类型的信息。
实施例1中的方法可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器、闪存、只读存储器、可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。为避免重复，这里不再详细描述。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本实施例描述的各示例的单元即算法步骤，能够以电子硬件或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (6)
1.一种面向陶瓷3D打印的放样曲面生成方法，其特征在于，包括：
接收模型的顶面轮廓曲线、底面轮廓曲线及模型高度；
接收模型的顶面轮廓曲线、底面轮廓曲线后，对两条曲线进行预处理：将两条曲线映射到世界坐标系中，分别计算两条曲线在x轴方向上最左和最右的两个端点，并将这两条曲线以两端点连线中点为基准对齐；
基于顶面轮廓曲线、底面轮廓曲线及模型高度进行基于放样曲面的建模，包括：在顶面轮廓曲线和底面轮廓曲线上分别做等距采样得到相同数量采样点，并根据绘制顺序对两条曲线上的采样点建立一一对应关系；在所有点对之间分别进行线性插值，生成数量相等的采样点，得到多个中间截面；
基于样条曲线对曲面形状进行控制，生成初始放样曲面模型；所述基于样条曲线对曲面形状进行控制包括：将顶面轮廓曲线最左和最右端点的连线记为水平方向控制线，基于水平方向控制线的上下拉伸变化，调整顶面轮廓曲线在z轴方向上的起伏，并重新在顶面轮廓曲线和底面轮廓曲线的各点对之间进行插值计算，更新所述多个中间截面上的采样点坐标；将顶面轮廓曲线和底面轮廓曲线最左端点或最右端点的连线记为竖直方向控制线，基于竖直方向控制线的左右拉伸变化，根据各个中间截面最左和最右两个端点间欧氏距离的变化，确定对应的缩放比例，以各个中间截面最左和最右两个端点连线的中间点为基点进行缩放；对曲面形状进行控制后，还在免支撑和免碰撞约束下对曲面形状进行调整，具体包括：顶面轮廓曲线和底面轮廓曲线的各点对以及中间截面点，沿着z轴从下到上进行遍历；对于每个点，若其与其上一层邻居采样点的直线与z轴的夹角大于阈值，则在保证z轴坐标值不变的情况下对其上一层邻居采样点的x坐标和y坐标值进行放缩，直到该夹角小于等于阈值，更新上一层邻居采样点的坐标；
在初始放样曲面模型中嵌入周期参数曲线进行建模，调整周期参数曲线周期和振幅生成带有几何纹理的放样曲面；所述生成带有几何纹理的放样曲面包括：将初始放样曲面模型中顶面轮廓曲线和底面轮廓曲线的点对所在方向抽象为y方向，将中间截面层方向抽象为x方向；将两个方向上两点间连线采用周期参数曲线代替；调整周期参数曲线的周期和曲线的振幅大小两个参数，在模型表面生成几何纹理。
2.如权利要求1所述的一种面向陶瓷3D打印的放样曲面生成方法，其特征在于，生成带有几何纹理的放样曲面后，还生成打印文件，具体包括：
将顶面、底面和中间截面层的采样点按照螺旋方式逐层连接起来生成单一连续的打印路径，并结合打印机喷头固定移动速度和固定挤出量生成用于陶瓷3D打印的打印文件。
3.一种面向陶瓷3D打印的放样曲面生成系统，其特征在于，包括：
用户交互模块，被配置为接收模型的顶面轮廓曲线、底面轮廓曲线及模型高度；接收模型的顶面轮廓曲线、底面轮廓曲线后，对两条曲线进行预处理：将两条曲线映射到世界坐标系中，分别计算两条曲线在x轴方向上最左和最右的两个端点，并将这两条曲线以两端点连线中点为基准对齐；
大尺度建模模块，被配置为基于顶面轮廓曲线、底面轮廓曲线及模型高度进行基于放样曲面的建模；基于样条曲线对曲面形状进行控制，生成初始放样曲面模型；
所述基于顶面轮廓曲线、底面轮廓曲线及模型高度进行基于放样曲面的建模包括：在顶面轮廓曲线和底面轮廓曲线上分别做等距采样得到相同数量采样点，并根据绘制顺序对两条曲线上的采样点建立一一对应关系；在所有点对之间分别进行线性插值，生成数量相等的采样点，得到多个中间截面；
所述基于样条曲线对曲面形状进行控制包括：将顶面轮廓曲线最左和最右端点的连线记为水平方向控制线，基于水平方向控制线的上下拉伸变化，调整顶面轮廓曲线在z轴方向上的起伏，并重新在顶面轮廓曲线和底面轮廓曲线的各点对之间进行插值计算，更新所述多个中间截面上的采样点坐标；将顶面轮廓曲线和底面轮廓曲线最左端点或最右端点的连线记为竖直方向控制线，基于竖直方向控制线的左右拉伸变化，根据各个中间截面最左和最右两个端点间欧氏距离的变化，确定对应的缩放比例，以各个中间截面最左和最右两个端点连线的中间点为基点进行缩放；
对曲面形状进行控制后，还在免支撑和免碰撞约束下对曲面形状进行调整，具体包括：顶面轮廓曲线和底面轮廓曲线的各点对以及中间截面点，沿着z轴从下到上进行遍历；对于每个点，若其与其上一层邻居采样点的直线与z轴的夹角大于阈值，则在保证z轴坐标值不变的情况下对其上一层邻居采样点的x坐标和y坐标值进行放缩，直到该夹角小于等于阈值，更新上一层邻居采样点的坐标；
小尺度建模模块，被配置为在初始放样曲面模型中嵌入周期参数曲线进行建模，调整周期参数曲线周期和振幅生成带有几何纹理的放样曲面；
所述生成带有几何纹理的放样曲面包括：将初始放样曲面模型中顶面轮廓曲线和底面轮廓曲线的点对所在方向抽象为y方向，将中间截面层方向抽象为x方向；将两个方向上两点间连线采用周期参数曲线代替；调整周期参数曲线的周期和曲线的振幅大小两个参数，在模型表面生成几何纹理。
4.一种电子设备，其特征在于，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成权利要求1-2任一项所述的方法。
5.一种计算机可读存储介质，其特征在于，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成权利要求1-2任一项所述的方法。
6.一种3D打印系统，其特征在于，包括如权利要求4所述的电子设备和3D打印机，所述电子设备生成打印文件并传输至3D打印机。
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| 《一起玩陶艺》的模型形变;博客账号MOVcat;《https://blog.csdn.net/f980511/article/details/103440294》;20191219;1 * |
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