CN112519230B

CN112519230B - 面向3d打印的底面镂空堆叠打印生成方法及系统

Info

Publication number: CN112519230B
Application number: CN202011155181.7A
Authority: CN
Inventors: 吕琳; 曹令鑫; 彭昊; 屠长河
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2020-10-26
Filing date: 2020-10-26
Publication date: 2022-06-14
Anticipated expiration: 2040-10-26
Also published as: CN112519230A

Abstract

本发明公开了面向3D打印的底面镂空堆叠打印生成方法及系统，包括：获取若干个待打印的3D模型，对每个待打印的3D模型建立八叉树结构；对每个待打印的3D模型，设置约束面；所述约束面是指3D模型上不允许添加支撑的区域；根据每个待打印的3D模型的约束面，计算所有待打印3D模型的可旋转角度；在待打印3D模型的可旋转角度的约束下，对所有待打印3D模型进行排列；对排列好的待打印3D模型，添加脚手架和支撑结构；将每一层脚手架的底面进行镂空处理；在脚手架和支撑结构的辅助下，实现一次打印多个3D模型。

Description

面向3D打印的底面镂空堆叠打印生成方法及系统

技术领域

本申请涉及3D打印技术领域，特别是涉及面向3D打印的底面镂空堆叠打印生成方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提到了与本申请相关的背景技术，并不必然构成现有技术。

堆叠打印能够显著提高3D打印的生产效率，在一段连续时间内提高打印模型的输出量，节省单件打印的准备与后处理时间。然而现有的3D打印堆叠方法对模型的支撑结构考虑不足：一方面，没有考虑支撑结构对模型表面的破坏，无法约束模型不能添加支撑结构的区域即约束面；另一方面，支撑结构不能既坚固又节省材料，在堆叠打印中对材料消耗往往过大。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本申请提供了面向3D打印的底面镂空堆叠打印生成方法及系统；对脚手架和支撑进行改进，极大减少了材料的耗费。

第一方面，本申请提供了面向3D打印的底面镂空堆叠打印生成方法；

面向3D打印的底面镂空堆叠打印生成方法，包括：

获取若干个待打印的3D模型，对每个待打印的3D模型建立八叉树结构；

对每个待打印的3D模型，设置约束面；所述约束面是指3D模型上不允许添加支撑的区域；

根据每个待打印的3D模型的约束面，计算所有待打印3D模型的可旋转角度；

在待打印3D模型的可旋转角度的约束下，对所有待打印3D模型进行排列；

对排列好的待打印3D模型，添加脚手架和支撑结构；将每一层脚手架的底面进行镂空处理；在脚手架和支撑结构的辅助下，实现一次打印多个3D模型。

第二方面，本申请提供了面向3D打印的底面镂空堆叠打印生成系统；

面向3D打印的底面镂空堆叠打印生成系统，包括：

八叉树结构建立模块，用于获取若干个待打印的3D模型，对每个待打印的3D模型建立八叉树结构；

设置模块，用于对每个待打印的3D模型，设置约束面；所述约束面是指3D模型上不允许添加支撑的区域；

计算模块，用于根据每个待打印的3D模型的约束面，计算所有待打印3D模型的可旋转角度；

排列模块，用于在待打印3D模型的可旋转角度的约束下，对所有待打印3D模型进行排列；

镂空处理模块，用于对排列好的待打印3D模型，添加脚手架和支撑结构；将每一层脚手架的底面进行镂空处理；在脚手架和支撑结构的辅助下，实现一次打印多个3D模型。

第三方面，本申请还提供了一种电子设备，包括：一个或多个处理器、一个或多个存储器、以及一个或多个计算机程序；其中，处理器与存储器连接，上述一个或多个计算机程序被存储在存储器中，当电子设备运行时，该处理器执行该存储器存储的一个或多个计算机程序，以使电子设备执行上述第一方面所述的方法。

第四方面，本申请还提供了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，完成第一方面所述的方法。

与现有技术相比，本申请的有益效果是：

1.提出了一种支撑方法，相对于之前的支撑方法既坚固又节省材料。

2.通过将每层脚手架的底面进行镂空处理，配合我们提出的支撑方法，既满足了约束面免支撑的堆叠打印，同时进一步节省了3D打印的支撑材料。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为第一个实施例的方法流程图；

图2为第一个实施例的对需要加支撑的悬垂面的说明图；

图3为根据加支撑的规则计算满足约束的模型可旋转角度示意图；

图4(a)-图4(h)为对模型建立包围盒的说明示意图；

图5为第一个实施例的可放置点的说明示意图；

图6(a)和图6(b)为遍历所有角度的脚手架，25个不同大小模型的排列的结果示意图；

图7为本申请实施例一的25个不同大小模型的排列最终结果示意图；

图8为本申请实施例一根据25个不同大小模型对底面网格镂空并建立脚手架的结果示意图；

图9为本申请实施例一根据25个不同大小模型最终生成的.stl文件的可视化结果图。

图10为本申请实施例一根据图6(a)和图6(b)的.stl文件打印的实际结果图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请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申请的示例性实施方式。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。

实施例一

本实施例提供了面向3D打印的底面镂空堆叠打印生成方法；

如图1所示，面向3D打印的底面镂空堆叠打印生成方法，包括：

步骤(1)：获取若干个待打印的3D模型，对每个待打印的3D模型建立八叉树结构；

步骤(2)：对每个待打印的3D模型，设置约束面；所述约束面是指3D模型上不允许添加支撑的区域；

步骤(3)：根据每个待打印的3D模型的约束面，计算所有待打印3D模型的可旋转角度；

步骤(4)：在待打印3D模型的可旋转角度的约束下，对所有待打印3D模型进行排列；

步骤(5)：对排列好的待打印3D模型，添加脚手架和支撑结构；将每一层脚手架的底面进行镂空处理；在脚手架和支撑结构的辅助下，实现一次打印多个3D模型。

作为一种可能的实现方式，所述步骤(5)中，对排列好的待打印3D模型，添加脚手架和支撑结构；将每一层脚手架的底面进行镂空处理；在脚手架和支撑结构的辅助下，实现一次打印多个3D模型；具体步骤包括：

步骤(51)：将每一层脚手架的底面进行网格化镂空处理；

步骤(52)：对排列好的待打印3D模型中待加支撑的面，进行加支撑处理；根据待加支撑的面，获取待加支撑的点；

步骤(53)：对所有待加支撑的点，寻找距离他们最近的脚手架的底面网格的交点；在待加支撑的点和距离该点最近的网格交点之间，建立第一圆柱状支撑，即为树枝；在网格交点处的位置生成第二圆柱状支撑，即为树干；

步骤(54)：对所有的树干进行加固处理。

进一步地，所述步骤(51)：将每一层脚手架的底面进行镂空处理；具体实现方式为：

以ψmm为间隔，υmm为网格厚度将脚手架每层的底面镂空。

进一步地，所述步骤(52)：对排列好的待打印3D模型中待加支撑的面，进行加支撑处理；具体实现方式为：

对于排列好的待打印3D模型中的每个面均与打印方向也就是Z轴的正方向形成夹角α₁，如果排列好的待打印3D模型中的每个面与打印方向Z之间的夹角α₁大于临界角α，则该面需要加支撑，对排列好的待打印3D模型中待加支撑的面，进行加支撑处理。

如图2所示，进一步地，对于所有的悬垂面，以经验距离0.25mm为间隔，使用扫描线光栅化算法对获取所有悬垂面的采样点作为需要加支撑的点。

进一步地，所述步骤(53)的距离计算公式为：

其中p,q是两个点，p_x为p点的x坐标，p_y为p点的y坐标。

进一步地，所述在待加支撑的点和距离该点最近的网格交点之间，建立第一圆柱状支撑，即为树枝支撑；在网格交点处的位置生成第二圆柱状支撑，即为树干支撑；具体步骤包括：

在待加支撑的点和离该点最近的网格交点处建立圆柱状支撑，该圆柱状支撑和XOY平面所成角度为临界角βc，且待加支撑的点为圆柱状支撑较高的一侧，该支撑称之为树枝，然后由树枝在网格交点处的位置垂直向下生成至当前层的底面或者模型上的圆柱状支撑称之为树干。

进一步地，所述步骤(53)之后，所述步骤(54)之前，还包括：

碰撞检测：如果树枝和模型有交点，则尝试将树枝向下偏移，直至不和模型相交，然后建立模型的待加支撑点到改点偏移位置的圆柱支撑，如果无法避免树枝和模型有交点，则树枝直接生成至和模型的交点处，不再生成至网格交点处。

进一步地，如果模型上的待加支撑点距离底面的距离小于(ψ/2)mm，因为距离过短，无法生成至网格交点出的支撑，则只需要找到网格距离待加支撑点最近的点建立树枝，不需要建立树干。

进一步地，为了支撑的易拆除，树枝和模型接触的地方，树枝的直径比其他地方细2mm。

进一步地，所述步骤(54)对所有的树干进行加固处理；具体步骤包括：

对所有的树干进行加固，如果两个树干之间的距离小于γ，高度每上升γ,用一个长方体连接两个树干，如果长方体和模型产生了碰撞，则去掉该长方体。

为了减少材料的耗费，且保证支撑的稳定性，每个树干最多只能两个其他树干进行加固操作。

在排列时已经确定脚手架每层的顶面，底面和脚手架支撑，根据模型的放置位置和方向，在脚手架每层的底面建立相应的支撑，保证模型的成功打印。

进一步地，所述约束面由用户通过选框来选取，所述约束面为3D模型被打印时不允许向3D模型添加支撑结构的面片，所述约束面包括一个或多个。

进一步地，步骤(3)中，计算所有待打印3D模型的可旋转角度，具体步骤包括：

对于所有可能的角度，分别判断是否满足待打印3D模型i的约束面不能加支撑的约束；如果满足，则将该角度r_k加入待打印3D模型i的可旋转角度集R_i中；最终得到所有待打印3D模型的可旋转角度集R{R₁...R_n}。

示例性的，步骤(3)中，计算所有待打印3D模型的可旋转角度，具体步骤包括：

如果面与印刷方向Z之间的夹角α₁大于临界角α，则该面需要加支撑，如图2所示。所有可能角度集是连续的集合，为了在有限的时间内得出结果，将连续的角度集以一定大小为间隔离散化，比如以15度为间隔。

对于离散化后的可能角度集分别尝试是否满足模型i约束面不能加支撑的约束。如果满足，则将该角度r_k加入模型i的可旋转角度集R_i中。最终得到所有模型的可旋转角度集R{R₁...R_n}，如图3所示。

作为一个或多个实施例，所述步骤(4)中，在待打印3D模型的可旋转角度的约束下，对所有待打印3D模型进行排列；具体步骤包括：

步骤(41)：根据打印机的不同，测试脚手架顶面稳定不变形时，顶面和XOY平面的最小倾角θ_min，其中XOY平面为XYZ坐标系的俯视图平面。根据待打印3D模型的可旋转角度，计算出所有模型的最大高度h_max，最小高度h_min和最大长度l_max，打印机的打印范围的长为L，打印机的打印范围的宽为W，打印机的打印范围的高为H；

计算得到顶面和XOY平面的最大倾角θ_max：

θ_max＝arctan((h_max-h_min)/(L-l_max))

脚手架每层的顶面都允许是[-θ_max，θ_min]∪0∪[θ_min，θ_max]中的任意角度，为了保证有限时间内得出结果，把连续集合以为e间隔变为离散的角度集。

步骤(42)：根据步骤(41)中得到的离散的角度集，对每个待打印3D模型的所有可旋转角度建立模型八叉树结构的相应包围盒B{B₁,B₂,..B_n}。

步骤(43)：对脚手架的每一层，遍历步骤(41)中得到离散的角度集。对于每一种可能的角度，使用相对应的包围盒进行排列；排列时进行层内不堆叠排列，当前层如果不能继续放置模型，进行下一层排列，直到排列完所有待打印3D模型；

步骤(44)：对模型的排列顺序随机变换，使用爬山法逼近全局最优解。

进一步地，所述步骤(43)中包围盒的排列，对于每种包围盒都执行以下预处理：

对每个待打印3D模型的可旋转角度的按照包围盒的高度从低到高进行排序，得到每个待打印3D模型可旋转角度的相应包围盒从低到高的序列；

对于所有待打印3D模型最低的包围盒从高到低排序，得到所有模型的排放序列。

进一步地，所述步骤(43)中包围盒的排列，每一层排列：

根据当前层的顶面，底面和XOY平面形成的倾角，使用相应的包围盒进行排列。

从预处理获得当前包围盒模型的排列顺序O(O₁,O₂…O_n)。

按照排列顺序，如果模型没有放置，且在可放置点不和其他模型，也不和可打印范围的边界有交集，则选择高度不超过当前层高，且底面积最小的包围盒放置，记录模型i旋转方向和放置位置P_i。

如果模型已经放置，尝试放置下一个模型。

对模型进行扰动以逼近全局最优解：模型的排列顺序对结果的影响非常大，对模型的排列顺序随机变换，使用爬山法逼近全局最优解。

本实施例中采用的打印机可打印范围为140mm*70mm*160mm。

根据打印机的不同，测试脚手架顶面稳定不变形时，顶面和XOY平面的最小倾角θ_min，分别测试不同角度，脚手架打印结果。可以看出角度太小打印结果会有很大的变形，顶面为平面变形最大。

根据模型的可旋转角度计算出所有模型的最大高度h_max，最小高度h_min和最大长度l_max，打印机的打印范围的长宽高分别为L,W,H。计算得到顶面和XOY平面的最大倾角θ_max：

θ_max＝arctan((h_max-h_min)/(L-l_max))

脚手架每层的顶面都可以是[-θ_max，θ_min]∪0∪[θ_min，θ_max]中的任意角度，为了保证有限时间内得出结果，以一定大小为间隔离散化，比如以5度为间隔，把该连续集合变为离散的角度集。

根据顶面所有可能的倾角，对每个模型的所有可旋转角度建立模型八叉树结构的相应包围盒B{B₁,B₂,..B_n}，如图4(a)-图4(h)所示。

对每一层，遍历顶面所有可能的角度。对于每一种可能的角度，使用相对应的包围盒进行排列。层内不堆叠排列，当前层如果不能继续放置模型，进行下一层排列，直到排列完所有模型。

包围盒的排列，对于每种包围盒都执行以下预处理：对每个模型的可旋转角度的包围盒从低到高排序，得到每个模型可旋转角度的相应包围盒从低到高的序列。对于所有模型最低的包围盒从高到底排序，得到所有模型的排放序列。

包围盒的排列，每一层排列：根据当前层的顶面，底面的倾角，使用相应的包围盒进行排列。

2D空间中矩形的排列：设置可放置点，矩形只能放置在可放置点处。可放置点：每个矩形左上角坐标作为其放置坐标，假设第一个矩形沿x，y轴的长度分别为l’，w’.如果我们起始放置点为(0，0)，放置一个矩形后可以得到放置点(l’，0)和(0，w’)，放置第二个矩形的时候，可放置点集合删除点(0，0)加入点(l’，0)和(0，w’)，同时生成两个可放置点，如图5所示。

获得当前包围盒模型的排列顺序O(O₁,O₂…O_n)。按照排列顺序，如果模型没有排列，且在可放置点能够放置，则选择高度不超过当前层高，且底面积最小的包围盒放置，记录模型i旋转方向和放置位置P_i。遍历所有的角度的脚手架结构如图6(a)和图6(b)所示。

对模型进行扰动以逼近全局最优解：模型的排列顺序对结果的影响非常大，对模型的排列顺序随机变换，使用爬山法逼近全局最优解，结果如图7所示。

在排列时已经确定脚手架每层的顶面，底面，对底面网格镂空并建立脚手架结果如图8所示，根据步骤(5)的方法在脚手架每层的底面建立相应的支撑并加固，保证模型的成功打印，结果如图9所示。

完成以上步骤得到.stl等格式的可打印3D文件，打印结果如图10所示。

本申请公开了改进的带约束的DLP打印堆叠算法，通过设计楼层状脚手架，能够同时满足打印过程中层叠打印，约束面无支撑的要求。对于每个楼层，本申请使用步骤(4)的启发式的多面体排列算法逼近空间利用效率最高的排列结果，从而提高整体的空间利用率，提高打印效率，本申请使用步骤(5)的方法对脚手架和支撑进行改进，极大减少了材料的耗费。

实施例二

本实施例提供了面向3D打印的底面镂空堆叠打印生成系统；

面向3D打印的底面镂空堆叠打印生成系统，包括：

此处需要说明的是，上述八叉树结构建立模块、设置模块、计算模块、排列模块和镂空处理模块对应于实施例一中的步骤S101至S105，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一所公开的内容。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。

实施例三

本实施例还提供了一种电子设备，包括：一个或多个处理器、一个或多个存储器、以及一个或多个计算机程序；其中，处理器与存储器连接，上述一个或多个计算机程序被存储在存储器中，当电子设备运行时，该处理器执行该存储器存储的一个或多个计算机程序，以使电子设备执行上述实施例一所述的方法。

实施例四

本实施例还提供了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，完成实施例一所述的方法。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims

1.面向3D打印的底面镂空堆叠打印生成方法，其特征是，包括：

2.如权利要求1所述的方法，其特征是，对排列好的待打印3D模型，添加脚手架和支撑结构；将每一层脚手架的底面进行镂空处理；在脚手架和支撑结构的辅助下，实现一次打印多个3D模型；具体步骤包括：

将每一层脚手架的底面进行网格化镂空处理；

对排列好的待打印3D模型中待加支撑的面，进行加支撑处理；根据待加支撑的面，获取待加支撑的点；

对所有待加支撑的点，寻找距离他们最近的脚手架的底面网格的交点；在待加支撑的点和距离该点最近的网格交点之间，建立第一圆柱状支撑，即为树枝；在网格交点处的位置生成第二圆柱状支撑，即为树干；

对所有的树干进行加固处理。

3.如权利要求2所述的方法，其特征是，所述将每一层脚手架的底面进行镂空处理；具体实现方式为：

以ψmm为间隔，υmm为网格厚度将脚手架每层的底面镂空。

4.如权利要求2所述的方法，其特征是，所述对排列好的待打印3D模型中待加支撑的面，进行加支撑处理；具体实现方式为：

对于排列好的待打印3D模型中的每个面均与打印方向也就是Z轴的正方向形成夹角α₁，如果排列好的待打印3D模型中的每个面与印刷方向Z之间的夹角α₁大于临界角α，则该面需要加支撑，对排列好的待打印3D模型中待加支撑的面，进行加支撑处理。

5.如权利要求2所述的方法，其特征是，对于所有的悬垂面，以距离0.25mm为间隔，使用扫描线光栅化算法对获取所有悬垂面的采样点作为需要加支撑的点。

6.如权利要求2所述的方法，其特征是，所述在待加支撑的点和距离该点最近的网格交点之间，建立第一圆柱状支撑，即为树枝支撑；在网格交点处的位置生成第二圆柱状支撑，即为树干支撑；具体步骤包括：

7.如权利要求2所述的方法，其特征是，所述对所有待加支撑的点，寻找距离他们最近的脚手架的底面网格的交点；在待加支撑的点和距离该点最近的网格交点之间，建立第一圆柱状支撑，即为树枝；在网格交点处的位置生成第二圆柱状支撑，即为树干之后，所述对所有的树干进行加固处理之前，还包括：

碰撞检测：如果树枝和模型有交点，则尝试将树枝向下偏移，直至不和模型相交，然后建立模型的待加支撑点到改点偏移位置的圆柱支撑，如果无法避免树枝和模型有交点，则树枝直接生成至和模型的交点处，不再生成至网格交点处；

或者，

如果模型上的待加支撑点距离底面的距离小于(ψ/2)mm，因为距离过短，无法生成至网格交点出的支撑，则只需要找到网格距离待加支撑点最近的点建立树枝，不需要建立树干；

或者，

对所有的树干进行加固处理；具体步骤包括：

8.面向3D打印的底面镂空堆叠打印生成系统，其特征是，包括：

9.一种电子设备，其特征是，包括：一个或多个处理器、一个或多个存储器、以及一个或多个计算机程序；其中，处理器与存储器连接，上述一个或多个计算机程序被存储在存储器中，当电子设备运行时，该处理器执行该存储器存储的一个或多个计算机程序，以使电子设备执行上述权利要求1-7任一项所述的方法。

10.一种计算机可读存储介质，其特征是，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1-7任一项所述的方法。