CN112265265A - 一种基于切片的三维打印数据z轴补偿方法 - Google Patents

一种基于切片的三维打印数据z轴补偿方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了三维打印以及计算机图形学技术领域的一种基于切片的三维打印数据z轴补偿方法，该方法直接从打印工艺流程出发，建立方程组，通过迭代求得补偿结果，本发明对于补偿结果，没有可见的错误，效率远高于基于网格的Z补偿，且精度可控，对比现有的基于切片数据的方法，补偿结果更加准确，流程简单并且不需要后续修复之类的后续手动处理，易于集成到机器中。

Description

一种基于切片的三维打印数据z轴补偿方法
技术领域
本发明涉及三维打印以及计算机图形学技术领域，具体为一种基于切片的三维打印数据z轴补偿方法。
背景技术
在光固化的三维打印技术中，在分层打印每一层时，由于激光的穿透性，在Z轴方向上的实际固化的厚度大于层厚，会对最终的成形的模型下表面加厚，因此需要对模型数据预先在Z轴方向上进行调整，这个处理过程称为Z轴补偿。
现有的三维打印前处理软件中的一般都有Z轴补偿模块，现有的软件或方法主要有2类，一类是对stl格式的三角网格模型数据进行z轴补偿，如Magic；一类是对先将stl格式的三角网格模型数据切片，然后对切片数据进行z轴补偿，如netfabb，这里的切片数据是一层层的多边形轮廓线集合。第一种方法思想是对所有网格下表面向上提升指定的补偿距离，但是对近似竖直的面难以界定其是否是下表面，并且对临界处(接近判定为下表面的准则)补偿后产生的错误三角形数据难以消除干净，这些错误会导致错误，且使后续的处理难以进行，同时补偿和修改引起的错误处理效率较低，当模型较为复杂时，补偿结果包含很多错误(比如重合面，多余的薄片，反向，缺口，自相交等问题)，需要对补偿结果进行修复，但是有的错误很难修复成功，且手动操作复杂，处理效率极低。第二种方法是对上下层切片比较来判断下表面区域，然后对该区域进行补偿，不会出现明显的错误，效率也相对较高，但是复杂模型在细节处依然存在误差，导致成形不规律等问题。对切片数据进行z补偿的方法，虽然速度很快但是补偿后的切片轮廓会产生锯齿和台阶等误差，准确度较低，最终会影响打印成形的表面精度。
基于此，本发明设计了一种基于切片的三维打印数据z轴补偿方法，以解决上述出现的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于切片的三维打印数据z轴补偿方法，以解决上述背景技术中的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于切片的三维打印数据z轴补偿方法，包含以下步骤：
第一步、基于切片数据，对每层切片数据建立补偿值求解方程组；
第二步、采用逐层迭代的方式求解该方程组；
第三步、输出补偿后轮廓线数据。
进一步的，在第一步中，补偿值求解方程组的公式如下：
Figure BDA0002697581480000021
其中k取值满足：Zk＜Zi+H且Zk＞Zi-H
式中：∪表示二维几何并运算；
Ei表示第i层成形的轮廓线数据，即补偿前的每一层轮廓线数据；
Xj表示第j层补偿后的轮廓线数据，是待求值；
Zi表示第i层高；
Zk表示第k层高；
H表示补偿高度。
进一步的，在第二步中，逐层迭代的方式求解，其流程如下：
S1：导入切片数据和参数；
S2：布尔合并每层轮廓线数据；
S3：设定初始边条件：顶层补偿后数据等于顶层补偿前轮廓线数据，从顶层开始向下迭代；
S4：计算第j层补偿结果前，先计算第j层上面相关层的补偿结果，并求布尔合并；
S5：将第j层补偿前轮廓线和上一步布尔合并结果求布尔差；
S6：计算第j层下面相关层补偿前轮廓线数据，并求布尔交；
S7：对S5和S6得到的结果求布尔并，其结果作为第j层的补偿结果；
S8：对补偿结果进行优化，去掉近似重合的点，细缝等，去掉小于一个补偿厚度的小特征区域，用户也可以选择保留小特征区域；
S9：重复步骤S3～S8计算j-1层，直到第0层；
S10：输出补偿后的轮廓线数据。
其中，在S1中，切片数据具体包括每层轮廓线数据E，每层层高Z和总层数N，参数具体指补偿高度H。
其中，在S4中，相关层层高Zi满足表达式：Zj＜Zi＜Zj+H。
其中，在S6中，相关层层高Zi满足表达式：Zj＞Zi＞Zj-H。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、对于补偿结果，没有可见的错误，效率远高于基于网格的Z补偿，且精度可控；
2、对比现有的基于切片数据的方法，补偿结果更加准确；
3、流程简单并且不需要后续修复之类的后续手动处理，易于集成到机器中。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明方法流程框图；
图2为本发明实施例1示意图；
图3为本发明实施例2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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
参阅附图1，本发明公开了一种基于切片的三维打印数据z轴补偿方法，具体如下，基于切片数据，对每层切片数据建立补偿值求解方程组，公式如下：
Figure BDA0002697581480000041
其中k取值满足：Zk＜Zi+H且Zk＞Zi-H
式中：∪表示二维几何并运算；
Ei表示第i层成形的轮廓线数据，即补偿前的每一层轮廓线数据；
Xj表示第j层补偿后的轮廓线数据，是待求值；
Zi表示第i层高；
Zk表示第k层高；
H表示补偿高度。
采用逐层迭代的方式求解，其流程如下：
导入切片数据和参数，切片数据具体包括每层轮廓线数据E，每层层高Z和总层数N。参数具体指补偿高度H；
1：准备工作：布尔合并每层轮廓线数据，主要目的是去掉自相交，避免干扰；
2：设定初始边条件：顶层补偿后数据等于顶层补偿前轮廓线数据，从顶层开始向下迭代；
3：以第j层为例，求解第j层必须打印的最小区域。其计算过程首先求该层上面相关层，相关层层高Zi满足表达式：Zj＜Zi＜Zj+H，然后对这些层补偿结果求布尔合并；
4：第j层补偿前轮廓线和上一步合并结果求布尔差；
5：计算第j层下面相关层补偿前轮廓线数据，并求布尔交；
6：求解第j层可打印最大区域，这样可以简化近似解，进一步简化之后的迭代计算，其计算过程：首先求该层下面相关层，相关层层高Zi满足表达式：Zj＞Zi＞Zj-H，然后对这些层补偿前轮廓线数据求布尔交；
7：对前2步的得到的结果求布尔并，其结果作为第j层的补偿结果；
8：对补偿结果进行优化，去掉近似重合的点，细缝等，去掉小于一个补偿厚度的小特征区域，用户也可以选择保留小特征区域；
9：重复步骤S3～S8计算j-1层，直到第0层；
10：输出补偿后的轮廓线数据。
以下为运用本发明补偿方法在现有软件中处理两组规则模型得到实验数据。
实施例一
请参阅图2，模型实例1：标准球体，如图2(a)所示，直径10mm，三角形4900个，切片厚度1mm，补偿1mm。图2(b)是第3层切片截面，图中外层圆圈是原始轮廓，内层圆圈为补偿轮廓，该图表明补偿是有效的。
实施例二
请参阅图3，模型实例2：倒圆锥，如图3(a)所示，顶面半径10mm，高度10mm，三角形100个，切片厚度1mm，补偿1mm。图3(b)是第10层切片截面，图中外层圆圈是原始轮廓，内层圆圈为补偿轮廓，因为圆锥侧面使45°，所以该层2个轮廓理论距离是1mm，实际距离符合的很好，该图表明补偿是准确的。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明进一步实施例只是用于帮助阐述本发明。进一步实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (6)

1.一种基于切片的三维打印数据z轴补偿方法，其特征在于，包含以下步骤：
第一步、基于切片数据，对每层切片数据建立补偿值求解方程组；
第二步、采用逐层迭代的方式求解该方程组；
第三步、输出补偿后轮廓线数据。
2.根据权利要求1所述的一种基于切片的三维打印数据z轴补偿方法，其特征在于，第一步中，补偿值求解方程组的公式如下：
Figure FDA0002697581470000011
其中k取值满足：Zk＜Zi+H且Zk＞Zi-H
式中：∪表示二维几何并运算；
Ei表示第i层成形的轮廓线数据，即补偿前的每一层轮廓线数据；
Xj表示第j层补偿后的轮廓线数据，是待求值；
Zi表示第i层高；
Zk表示第k层高；
H表示补偿高度。
3.根据权利要求2所述的一种基于切片的三维打印数据z轴补偿方法，其特征在于，第二步中，逐层迭代的方式求解，其流程如下：
S1：导入切片数据和参数；
S2：布尔合并每层轮廓线数据；
S3：设定初始边条件：顶层补偿后数据等于顶层补偿前轮廓线数据，从顶层开始向下迭代；
S4：计算第j层补偿结果前，先计算第j层上面相关层的补偿结果，并求布尔合并；
S5：将第j层补偿前轮廓线和上一步布尔合并结果求布尔差；
S6：计算第j层下面相关层补偿前轮廓线数据，并求布尔交；
S7：对S5和S6得到的结果求布尔并，其结果作为第j层的补偿结果；
S8：对补偿结果进行优化，去掉近似重合的点，细缝等，去掉小于一个补偿厚度的小特征区域，用户也可以选择保留小特征区域；
S9：重复步骤S3～S8计算j-1层，直到第0层；
S10：输出补偿后的轮廓线数据。
4.根据权利要求3所述的一种基于切片的三维打印数据z轴补偿方法，其特征在于，在S1中，切片数据具体包括每层轮廓线数据E，每层层高Z和总层数N，参数具体指补偿高度H。
5.根据权利要求4所述的一种基于切片的三维打印数据z轴补偿方法，其特征在于，在S4中，相关层层高Zi满足表达式：Zj＜Zi＜Zj+H。
6.根据权利要求5所述的一种基于切片的三维打印数据z轴补偿方法，其特征在于，在S6中，相关层层高Zi满足表达式：Zj＞Zi＞Zj-H。
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