CN112078135B - 一种基于曲面微层切片的多材料三维打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于曲面微层切片的多材料三维打印方法，其特点是采用曲面切片的三维打印反走样技术，实现曲面微层的高效路径规划，使得既可打印多种材料之间的锐利边界，也可打印不同材料之间的光滑过渡边界，具体模型打印包括：获得原始切片层信息、优化的曲面微层配置、优化曲面微层的混合比例、曲面微层进行排序和G代码进行打印等步骤。本发明与现有技术相比具有不改变现有打印设备与切片器的前提下，实现精确可控的多材料混合与过渡的三维打印技术，既可打印多种材料之间的锐利边界，也可打印不同材料之间的光滑过渡边界，精确制造出符合用户指定的三维模型多材料分布信息的打印模型，满足航空、航天、医疗等领域的实际制造需求。

Description

一种基于曲面微层切片的多材料三维打印方法

技术领域

本发明涉及三维模型打印技术领域，尤其是一种基于曲面微层切片打印技术的多材料三维打印方法。

背景技术

近年来，多材料混合三维打印技术的研究主要集中在多彩色打印问题上。当前主流的多彩色三维打印技术，主要是在每一层材料打印之后，再进行一次传统的二维彩色打印，如粉末上的喷墨打印技术以及纸板层压喷墨打印技术等。也有方法提出在模型表面法向方向上堆叠彩色树脂液滴实现彩色打印，通过改变每一个颜色层的厚度，可以实现精确的颜色重现，该技术利用了材料本身的透明性，而不是其他方法中使用的抖动技术，然而该项技术无法在FDM和SLS技术中直接应用，硬件设备和材料成本极高、打印速度极慢，不具备产业推广潜力。另一方面，低成本的FDM打印技术主要由业余爱好者群体推动发展，产生了多个打印解决方案，最初的研究使用了具有多个挤出头的打印设备。然而，校准操作和材料渗漏是该技术的两大难题。

当前，面向多材料的三维打印技术主要体现在新型硬件及设备的发展。然而，以Polyjet技术为代表的最新技术存在着硬件设备和材料成本极高、打印速度极慢的问题，对于主流三维打印技术，尤其是FDM、SLA和SLS技术。

现有技术的多材料三维打印技术无法实现多种材料的精确混合、光滑过度等重要制造工艺，多材料制造仅支持对模型的不同部分离散地分配单一材料，尚无成熟的技术可以实现精确可控的多材料混合、以及多材料光滑过渡等航空、航天、医疗等领域的实际制造需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于曲面微层切片打印技术的多材料三维打印方法，采用曲面切片的三维打印反走样技术，以及将喷嘴混合与曲面微层中混合结合，实现曲面微层的高效路径规划，使得既可以打印多种材料之间的锐利边界，也可以打印不同材料之间的光滑过渡边界，方法简便，在极小化改动现有硬件及设备、以及不增加打印时间的前提下，精确制造出符合用户指定的三维模型多材料分布信息的打印模型，大大满足了航空、航天、医疗等领域的实际制造需求，具有良好的应用前景。

实现本发明目的的具体技术方案是：一种基于曲面微层切片打印技术的多材料三维打印方法，其特点是采用曲面切片的三维打印反走样技术，实现曲面微层的高效路径规划，使得既可以打印多种材料之间的锐利边界，也可以打印不同材料之间的光滑过渡边界，多材料三维的具体打印包括以下步骤：

步骤1：获取原始切片层信息

1.1)使用标准切片机将输入对象切成多个原始层后计算切片路径；

1.2)根据用户指定的模型多材料分布信息计算切片路径上颜色所需输入材料混合比c，其中c∈R^K，且

假定使用K(K>1)种基础材料丝。

步骤2：计算最优化曲面微层配置

2.1)对切片路径进行重新采样，增加顶点数量，以精确地捕获输入变化；

2.2)重新计算切片路径上每个顶点所需材料混合比向量c，组成向量集合C；

2.3)根据向量C的空间表示获取曲面微层划分层数S(1≤S≤K)，且对于曲面微层i其基础物料混合比为Lⁱ；其中，Lⁱ∈R^K，1≤i≤S,同时其服从重心约束

步骤3：计算最优化曲面微层的混合比例

根据优化后的基础混合比Lⁱ,将输入混合比c转换成新的混合比α，其中：Lⁱ是喷头内使用的混合比，α控制打印过程中曲面微层的厚度。

步骤4：对曲面微层进行排序

4.1)按下述a式计算排序得分：

其中：

代表曲面微层l中第i个基础混合物；d(A,B)表示两个基础混合物之间的堆叠距离，且若层B在层A上方，堆叠距离定义为A的顶部到B的底部的距离；i，j分别是层(l+1)和层l中的索引；

4.2)根据排序得分由大到小进行排序，生成新的路径规划顺序。

步骤5：输出该层的G代码指令进行打印

根据G代码打印每个曲面微层，该指令与原始层曲面微层数量相同，沿路径调整高度和流量，其中每个顶点的高度可由重心坐标α获得。

步骤6：重复步骤(2)到～(5)直至所有原始层打印结束。

所述步骤2中获取曲面微层层数的具体步骤如下：

A1:将集合C嵌入由原点和单位向量组成的N维空间中，其中N＝K-1(N>0)；

A2:对集合C进行降维操作，得到数据地固有维度D,其中D≤N；

A3:在D维空间中搜索包含所有维度减少点

的最小单纯形，确保单纯形顶点通过逆映射M^-1后遵循重心约束：

其中，M和M^-1代表降维算子及其逆映射；

A4:单纯形顶点个数即曲面微层划分层数S(1≤S≤K)，其顶点坐标向量即每个曲面微层基础混合比。

所述步骤3中将材料混合比c转换为新的混合比α是通过更换基底向量，重新算一遍线性组合获得的。

转换为新的混合比α；所述喷头采用多进一出型，基础材料混合比在喷头内部混合完成。

所述步骤4中计算排序得分的具体步骤如下：

B1:第一层以随机顺序初始化；

B2:对于l层(l≥2)，假设已知第(l-1)层排序顺序，枚举所有可能的层次排序，计算目标函数；

B3:选择使得目标函数最大的层次，继续由底向上扫描。

所述步骤5中在根据G代码打印每个曲面微层过程中，需要添加渗漏保护层，使得新的物料丝混合稳定；同时需要爆出恒定挤出速度，防止喷嘴中压力突然变化。

本发明与现有技术相比具有可在不改变现有打印设备与切片器的前提下，实现支持精确可控的多材料混合与过渡的三维打印技术，既可以打印多种材料之间的锐利边界，也可以打印不同材料之间的光滑过渡边界，方法简便，精确制造出符合用户指定的三维模型多材料分布信息的打印模型，大大满足了航空、航天、医疗等领域的实际制造需求，具有良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明流程图。

具体实施方式

本发明采用曲面切片的三维打印反走样技术，实现曲面微层的高效路径规划，使得既可打印多种材料之间的锐利边界，也可打印不同材料之间的光滑过渡边界，多材料三维的具体打印包括：1)获得原始切片层(简称原始层)信息；2)计算最优化的曲面微层配置；3)计算最优化曲面微层的混合比例；4)对曲面微层进行排序；5)输出该层的G代码进行打印；6)重复步骤(2)～(5)，直至所有原始层打印结束。

参阅图1，本发明按下述步骤进行多材料三维打印模型的：

S111：利用标准切片机获取原始切片层信息

标准切片机将输入对象切成多个原始层后计算切片路径。

S112：计算最优化曲面微层配置

根据用户指定的模型多材料分布信息对每个原始层进行纵向细分，得到多个曲面微层以及基础物料混合比Lⁱ；其中：Lⁱ∈R^K，1≤i≤S,同时其服从重心约束

特别地假定使用K(K>1)种基础材料丝，所述优化曲面微层配置的具体步骤如下：

S112-1:对切片路径进行重新采样，增加顶点数量，以精确地捕获输入变化。

S112-2:重新计算切片路径上每个顶点所需材料混合比向量c；其中，Lⁱ∈R^K，且

c_i≥0，组成向量集合C。

S112-3:将向量集合C嵌入由原点和单位向量组成的N维空间中，其中N＝K-1(N>0)。

S112-4:对向量集合C进行降维操作，得到数据地固有维度D,其中D≤N；

降维操作使用主成分分析(Principal Component Analysis，PCA)，根据阈值ε在特征向量上选择维度，典型的在比例空间上设置ε＝10^-4。

S112-5:在D维空间中搜索包含所有维度减少点

的最小单纯形，确保单纯形顶点通过逆映射M^-1后遵循重心约束；其中，M和M^-1代表降维算子及其逆映射。

S112-6:单纯形顶点个数即曲面微层划分层数S(1≤S≤K)，其顶点坐标向量即每个曲面微层基础混合比Lⁱ。

S113：计算最优化曲面微层的混合比例；根据优化后的基础混合比Lⁱ,将输入混合比c转换成新的混合比α(相当于更换了基底向量，重新算一遍线性组合)；其中，Lⁱ是喷头内使用的混合比，α控制打印过程中曲面微层的厚度。每个曲面微层内部的材料不变，因此仅需要在每个微层之间切换时使用废料塔进行材料切换，通过改变曲面微层的厚度精确控制每个原始层内部微层的相对混合比例，因此可以实现不同材料之间的锐利、光滑过渡。

S114：利用基于曲面切片的三维打印反走样技术实现曲面微层的高效路径规划的的具体步骤如下：

S114-1:第一层以随机顺序初始化。

S114-2:对于l层(l≥2)，假设已知第(l-1)层排序顺序，枚举所有可能的层次排序，按下述a式计算目标函数得分：

其中：

代表曲面微层l中第i个基础混合物；d(A,B)表示两个基础混合物之间的堆叠距离，且若层B在层A上方，堆叠距离定义为A的顶部到B的底部的距离；i，j分别是层(l+1)和层l中的索引。

S114-3:选择使得目标函数最大的层次，继续由底向上扫描。

S114-4:根据排序得分由大到小进行排序，生成新的路径规划顺序。

S115：输出每一层的指令来生成G代码进行打印

根据G代码打印每个曲面微层，该指令与层数一样多，并沿路径调整高度和流量。每个顶点的高度直接从重心坐标α获得，当路径的高度消失时，中断沉积并进入下一条路径。

S116：重复S112到S115直至所有原始层打印结束。

本发明将喷嘴混合与曲面微层中混合相结合，从而实现在极小化改动现有硬件及设备、以及不增加打印时间的前提下，精确制造出符合用户指定的三维模型多材料分布信息的打印模型；同时利用基于曲面切片的三维打印反走样技术实现曲面微层的高效路径规划，使得既可以打印多种材料之间的锐利边界，也可以打印不同材料之间的光滑过渡边界。

以上只是对本发明做进一步说明，并非用以限制本发明专利，凡为本发明等效实施，均应包含于本发明专利的权利要求范围之内。

Claims (5)

1.一种基于曲面微层切片的多材料三维打印方法，其特征在于采用曲面切片的三维打印反走样技术，实现曲面微层的高效路径规划，使得既可打印多种材料之间的锐利边界，也可打印不同材料之间的光滑过渡边界，多材料三维的具体打印包括以下步骤：

步骤1：获取原始切片层信息

1.1)使用标准切片机将输入对象切成多个原始层后计算切片路径；

1.2)根据用户指定的模型多材料分布信息计算切片路径上颜色所需输入材料混合比c；

其中：c∈R^K，且

K为基础材料丝的种类数，且K>1；R^K为K维向量空间；ci为第i种材料丝所需混合比例；

步骤2：优化曲面微层配置

2.1)对切片路径进行重新采样，增加顶点数量，以精确捕获输入变化；

2.2)重新计算切片路径上每个顶点所需材料混合比c，并组成向量集合C；

2.3)根据向量集合C的空间表示，获取曲面微层的划分层数S，且对于i微层曲面的基础混合比为Lⁱ；

其中：Lⁱ∈R^K，1≤i≤S,1≤S≤K，并服从重心约束

步骤3：优化曲面微层的混合比例

根据优化后的基础混合比Lⁱ,将材料混合比c转换为新的混合比α，其中：Lⁱ是喷头内使用的混合比，α为控制打印过程中曲面微层的厚度；

步骤4：曲面微层的排序

4.1)按下述a式计算排序得分：

其中：

为曲面微层l中第i个基础混合物；d(A,B)表示两个基础混合物之间的堆叠距离，若层B在层A上方，堆叠距离定义为A的顶部到B的底部的距离；i，j分别为层(l+1)和层l中的索引；

4.2)根据排序得分由高分到低分进行排序，生成新的路径规划顺序；

步骤5：输出该层的G代码指令进行打印

根据G代码打印每个曲面微层，该指令与原始层曲面的微层数量相同，沿路径调整高度和流量，其中每个顶点的高度可由新的混合比α获得；

步骤6：重复步骤(2)～(5)，直至所有原始层曲面打印结束。

2.根据权利要求1所述基于曲面微层切片的多材料三维打印方法，其特征在于所述步骤2中获取曲面微层的划分层数S的具体步骤如下：

A1:将向量集合C嵌入由原点和单位向量组成的N维空间中，其中：N＝K-1(N>0)；

A2:对向量集合C进行降维操作，得到数据地固有维度D,其中D≤N；

A3:在D维空间中搜索包含所有维度减少点

的最小单纯形，确保单纯形顶点通过逆映射M^-1后遵循重心约束：

其中，M和M^-1为降维算子及其逆映射；

A4:单纯形顶点个数，即曲面微层的划分层数S，且1≤S≤K，其顶点坐标向量即为每个曲面微层基础混合比。

3.根据权利要求1所述基于曲面微层切片的多材料三维打印方法，其特征在于所述步骤3中将材料混合比c转换为新的混合比α是通过更换基底向量，重新算一遍线性组合获得的。

4.根据权利要求1所述基于曲面微层切片的多材料三维打印方法，其特征在于所述步骤4中计算排序得分的具体步骤如下：

B1:第一层以随机顺序初始化；

B2:对于l层(l≥2)，假设已知第(l-1)层排序顺序，枚举所有可能的层次排序，计算目标函数；

B3:选择使得目标函数最大的层次，继续由底向上扫描。

5.根据权利要求1所述基于曲面微层切片的多材料三维打印方法，其特征在于所述步骤5中根据G代码打印每个曲面微层过程中，需添加渗漏保护层，使新的物料丝混合稳定，同时需爆出恒定挤出速度，防止喷嘴中压力突然变化。

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