CN112270023B - 一种面向建筑3d打印考虑挤出头转向的切片方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种面向建筑3D打印考虑挤出头转向的切片方法，包括以下步骤：1)获取待打印的建筑3D打印模型；2)生成n个切平面将模型分层；3)提取模型与所有切平面的相交轮廓线；4)对提取的轮廓线进行偏置，得到偏置轮廓线，筛选偏置轮廓线生成打印路径；5)在打印路径上等间隔取点，合并位于直线上的间隔；6)获取相邻两点间连线与X轴之间的夹角角度并形成角度合集，并计算相邻两角度间的差值Δθ，即得到挤出头的转向角度；7)生成G代码后完成3D打印。与现有技术相比，本发明具有考虑多种特征、自由编辑、增加转向信息等优点。

Description

一种面向建筑3D打印考虑挤出头转向的切片方法

技术领域

本发明涉及建筑3D打印技术领域，尤其是涉及一种面向建筑3D打印考虑挤出头转向的切片方法。

背景技术

建筑3D打印是一种以数字模型为基础，以特殊混凝土材料通过逐层打印方式建造房屋的技术，建筑3D打印对我国建筑业的转型升级及实现智能制造具有重要的意义。

近些年，虽然建筑3D打印设备和材料研发取得了较大的发展，然而面向建筑模型的切片方法还主要依托于传统的面向制造业零件的切片软件，如Cura、Slic3r、Simply3D以及Hori3D Software等。由于建筑3D打印和制造业零件3D打印在设备组成方面，模型尺度方面以及打印材料方面具有较大区别，导致基于传统的切片软件的建筑3D打印会出现一些问题，主要体现在：

(1)建筑3D打印的单丝宽度与模型的整体尺寸的比值较大，传统导入STL格式的模型切片会丢失信息，导致切片的缺陷会被放大而导致较差的打印质量；

(2)混凝土材料凝结速度慢，流动性较差，导致建筑3D打印在轨迹相交处结合强度低，为了提高交点结合强度，需要实现层内路径自由编辑，而传统切片方法无法实现；

(3)当建筑3D打印机的挤出头为方形口时，需要在打印路径中增加挤出头的转向信息，而传统切片软件无法实现。

因此，急需一种面向建筑3D打印的切片方法。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种面向建筑3D打印考虑挤出头转向的切片方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种面向建筑3D打印考虑挤出头转向的切片方法，包括以下步骤：

1)获取待打印的建筑3D打印模型；

2)生成n个切平面将模型分层；

3)提取模型与所有切平面的相交轮廓线；

4)对提取的轮廓线进行偏置，得到偏置轮廓线，筛选偏置轮廓线生成打印路径；

5)在打印路径上等间隔取点，合并位于直线上的间隔；

6)获取相邻两点间连线与X轴之间的夹角角度并形成角度合集，并计算相邻两角度间的差值Δθ，即得到挤出头的转向角度；

7)生成G代码后完成3D打印。

该方法的输入量包括：

待打印的建筑3D打印模型、打印层高h、轮廓线取点间隔l、挤出头宽度/直径w、挤出转速与挤出头移动速度的比值以及是否添加转向标量。

所述的步骤2)中，构建切平面具体包括以下步骤：

提取待打印的建筑3D打印模型在Z方向上的最大值Z_max和最小值Z_min，并确定模型在分层方向上的总高度H，用模型的高度除以打印层高h得到分层的层数n，并建立n个与XY平面平行且间距相等的切平面，并对所有切平面进行编号。

所述的分层方向为Z轴正方向，每个切平面的高度的表达式为：

Z_k＝Z_min+k×h

其中，Z_k为第k层切平面的高度，k为切平面的编号，取值范围为1～(n-1)。

当模型在分层方向上的总高度不为打印层高的整数倍时，第n层切平面高度Z_n＝Z_max。

所述的步骤3)具体为：

获得模型的各顶点、轮廓线以及曲面在空间中的方程，将切平面方程与模型的曲面和轮廓线分别联立，求解得到面面交线以及面与线的交点，即为模型在当前切平面中的轮廓线以及顶点，并以此依次获取所有切平面与模型相交的轮廓线。

所述的步骤4)具体为：

41)根据模型轮廓线的长度区分内轮廓和外轮廓，对于内轮廓则向外偏置，对于外轮廓则向内偏置；

42)将偏置后的所有轮廓线按照长度保存于同一个列表中，每进行一次偏置后则将偏置后的轮廓线长度与列表中轮廓线的进行对比，若存在长度相等的轮廓线，则停止偏置。

所述的步骤41)中，偏置间距根据偏置次数不同而不同，具体为：

第一次内外轮廓偏置的偏置距离为w/2，第二次及以后的内外轮廓偏置的偏置距离为w。

所述的步骤42)中，当模型壁厚S为线宽的整数N倍，即S＝N*w时，若N为奇数，则偏置(N+1)/2次，最后一次内外轮廓偏置得到的轮廓线为同一条；若N为偶数，则偏置N/2次。

所述的步骤5)具体为：

获取每条轮廓线的长度以及输入的轮廓线取点间隔l，得到每条轮廓选的路径点数，然后取轮廓线上的等间隔点作为后续的输入，在取点过程中，当线段的端点不被选中时，则获取轮廓线端点，并将其加入路径点列表中。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明的切片方法充分考虑了建筑3D打印的尺度特征(单丝宽度与建筑模型尺寸的比值较大)、材料特征(混凝土材料凝结速度慢，流动性差等)以及设备特征(挤出头转向)，能够改善现有切片方法带来的打印缺陷，具体体现在以下几个方面：

1、相比现有切片方法导入STL格式的模型及处理三角面片导致的信息丢失，本切片方法可以直接获取模型的点、线、面特征进行切片，从而具有更高的打印精度；

2、区别于现有轮廓和内部填充切片方法，本切片方法通过提取和处理模型每层的轮廓线实现建筑模型层内打印路径的自由编辑，可以提高路径交点结合强度，改善建筑打印质量；

3、相比现有切片方法考虑了挤出头转向的打印方式，本切片方法可以在打印路径中增加转向信息，并且直接生成可执行的代码，可操作性强。

附图说明

图1为建筑3D打印切片方法原理图。

图2为建筑3D打印切片的输入参数。

图3为本发明的分层切片流程图。

图4为轮廓线偏置示意图。

图5为轮廓线偏置流程图。

图6为打印路径上取等间隔点。

图7为G代码生成流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1所示，本发明提供一种面向建筑3D打印考虑挤出头转向的切片方法，包括以下步骤：

(1)导入要打印的建筑3D打印模型；

(2)生成n个切平面将模型分层；

(3)提取模型和切平面的相交轮廓线；

(4)对提取的轮廓线进行偏置，生成打印路径；

(5)在生成的打印路径上等间隔取点，然后合并直线上的间隔点；

(6)计算并添加挤出头转向信息；

(7)生成G代码。

基于上述建筑3D打印切片方法原理，本发明基于Grasshopper实现了建筑3D打印切片，如图2所示，输出为G代码，输入参数包括：

a、目标模型；

b、打印层高h，单位mm；

c、曲线取点间隔距离s，单位mm；

d、挤出头宽度(直径)w，单位mm；

e、挤出比r，即材料挤出转速与挤出头移动速度的比值(不同配比的混凝土材料的挤出速度比不同)；

f、是否添加转向，TRUE/FALSE(矩形喷嘴需要转向的代码)；

本发明各步骤的具体介绍如下：

(1)分层切片

导入建筑3D模型后，首先建立切平面将模型分层切片，在选定分层方向后(一般为Z轴正方向)，通过一系列与XY平面平行、等间隔的切平面与模型相交，求得模型在各个平面内的轮廓线的过程，分层切片的流程图如图3所示。

1)建立切平面，首先提取目标模型在Z方向上的最大值Z_max和最小值Z_min，确定目标模型在分层方向上的高度H，用模型的高度除以层高h得到分层的层数n(n取整)，建立n个与XY平面平行的切平面，并对所有平面进行编号。每个平面的高度如下式所示

Z_k＝Z_min+k×h (1)

其中，k＝1～(n-1)，当模型高度不是层高的整数倍时，第n层切平面高度为Z_n＝Z_max，式(1)也代表了所有切平面的方程。

(2)轮廓线偏置

不同于传统3D打印中较小尺寸的单丝宽度，建筑3D打印单丝宽度较大，因此需要保证挤出头的中心始终在打印路径(刀具路径)上。如图4所示，黑色实线表示挤出头的宽度w，则通过对轮廓线偏置可以获取刀具路径。

在Grasshopper中，无法判定偏置的方向是朝向模型的“内部”还是“外部”。因此需要同时向两个方向偏置，然后用两条新曲线的长度作对比。长度较长的曲线即为向外偏置的，较短的曲线即为向内偏置的。判定好内外轮廓后，就可以进行内外轮廓的偏置。其中，外轮廓向内偏置，内轮廓向外偏置。偏置间距根据偏置次数的不同而不同：第一次内外轮廓偏置的偏置距离为w/2(混凝土挤出宽度为w)；第二次及以后的内外轮廓偏置的偏置距离为w。

将偏置后的所有轮廓线按照长度存在同一个列表中，每进行一次偏置就将偏置后的轮廓线长度与列表中的进行对比，若存在长度相等的轮廓线，则停止偏置。模型壁厚为线宽的整数N倍(模型宽度N*w)，若N为奇数，则偏置(N+1)/2次，最后一次内外轮廓偏置得到的轮廓线为同一条；若N为偶数，则偏置N/2次。轮廓线偏置流程如图5所示。

(3)打印路径上取等间隔点

获取每条轮廓线的长度以及输入的间隔宽度，得到每条轮廓选的路径点数。然后取轮廓线上的等间隔点作为后续的输入。在取点过程中，需要获取轮廓线端点，并将其加入路径点列表中，识别并删除线与线连接处的重复点，如图6所示。

(4)生成G代码

G代码的生成流程如图7所示。

Claims (8)

1.一种面向建筑3D打印考虑挤出头转向的切片方法，其特征在于，该方法的输入量包括待打印的建筑3D打印模型、打印层高h、轮廓线取点间隔l、挤出头宽度/直径w、挤出转速与挤出头移动速度的比值以及是否添加转向标量，包括以下步骤：

1)获取待打印的建筑3D打印模型；

2)生成n个切平面将模型分层，构建切平面具体包括以下步骤：

提取待打印的建筑3D打印模型在Z方向上的最大值Z_max和最小值Z_min，并确定模型在分层方向上的总高度H，用模型的高度除以打印层高h得到分层的层数n，并建立n个与XY平面平行且间距相等的切平面，并对所有切平面进行编号；

3)提取模型与所有切平面的相交轮廓线；

4)对提取的轮廓线进行偏置，得到偏置轮廓线，筛选偏置轮廓线生成打印路径；

5)在打印路径上等间隔取点，合并位于直线上的间隔；

6)获取相邻两点间连线与X轴之间的夹角角度并形成角度合集，并计算相邻两角度间的差值Δθ，即得到挤出头的转向角度；

7)生成G代码后完成3D打印。

2.根据权利要求1所述的一种面向建筑3D打印考虑挤出头转向的切片方法，其特征在于，所述的分层方向为Z轴正方向，每个切平面的高度的表达式为：

Z_k＝Z_min+k×h

其中，Z_k为第k层切平面的高度，k为切平面的编号，取值范围为1～n-1)。

3.根据权利要求2所述的一种面向建筑3D打印考虑挤出头转向的切片方法，其特征在于，当模型在分层方向上的总高度不为打印层高的整数倍时，第n层切平面高度Z_n＝Z_max。

4.根据权利要求1所述的一种面向建筑3D打印考虑挤出头转向的切片方法，其特征在于，所述的步骤3)具体为：

获得模型的各顶点、轮廓线以及曲面在空间中的方程，将切平面方程与模型的曲面和轮廓线分别联立，求解得到面面交线以及面与线的交点，即为模型在当前切平面中的轮廓线以及顶点，并以此依次获取所有切平面与模型相交的轮廓线。

5.根据权利要求1所述的一种面向建筑3D打印考虑挤出头转向的切片方法，其特征在于，所述的步骤4)具体为：

41)根据模型轮廓线的长度区分内轮廓和外轮廓，对于内轮廓则向外偏置，对于外轮廓则向内偏置；

42)将偏置后的所有轮廓线按照长度保存于同一个列表中，每进行一次偏置后则将偏置后的轮廓线长度与列表中轮廓线的进行对比，若存在长度相等的轮廓线，则停止偏置。

6.根据权利要求5所述的一种面向建筑3D打印考虑挤出头转向的切片方法，其特征在于，所述的步骤41)中，偏置间距根据偏置次数不同而不同，具体为：

第一次内外轮廓偏置的偏置距离为w/2，第二次及以后的内外轮廓偏置的偏置距离为w。

7.根据权利要求5所述的一种面向建筑3D打印考虑挤出头转向的切片方法，其特征在于，所述的步骤42)中，当模型壁厚S为线宽的整数N倍，即S＝N*w时，若N为奇数，则偏置(N+1)/2次，最后一次内外轮廓偏置得到的轮廓线为同一条；若N为偶数，则偏置N/2次。

8.根据权利要求1所述的一种面向建筑3D打印考虑挤出头转向的切片方法，其特征在于，所述的步骤5)具体为：

获取每条轮廓线的长度以及输入的轮廓线取点间隔l，得到每条轮廓选的路径点数，然后取轮廓线上的等间隔点作为后续的输入，在取点过程中，当线段的端点不被选中时，则获取轮廓线端点，并将其加入路径点列表中。

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