CN112720776A - 一种3d水泥打印的打印控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种3D水泥打印的打印控制方法，涉及3D打印技术领域，该方法根据3D水泥打印的特点，采用等距偏置轮廓进行路径规划，考虑到水泥宽度对打印起点和终点进行规划，可以有效避免打印重叠现象，减少打印过程中的启停次数；而在打印过程中，对打印起点开始的一段距离和打印终点前的一段距离配置不同的挤出速率，可以有效地避免启停处积料的现象，从而使得3D水泥打印的精度更高。

Description

一种3D水泥打印的打印控制方法
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，尤其是一种3D水泥打印的打印控制方法。
背景技术
水泥基复合材料用作3D打印材料可以解决现有普通水泥基材料凝结时间长且呈流动性的问题，可以很好的满足3D打印过程快速凝结的性能要求，因此使得3D水泥打印在建筑行业的应用得到了技术上的支持。由于水泥基复合材料不像纤维等其他复合材料在启停时可以设置回抽来解决积料现象，因此3D水泥打印通常会出现启停位置积料的问题，影响打印质量。
发明内容
本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种3D水泥打印的打印控制方法，本发明的技术方案如下：
一种3D水泥打印的打印控制方法，该方法包括：
根据分层切片得到的截面线轮廓上的数据点确定打印外轮廓和打印内轮廓；
根据打印外轮廓和打印内轮廓规划打印路径，若打印路径的打印起点在打印外轮廓，则打印路径从打印起点开始沿着打印外轮廓逐圈向内偏置打印喷头的打印宽度直至到达打印终点；若打印路径的打印起点在打印内轮廓，则打印路径从打印起点开始沿着打印内轮廓逐圈向外偏置打印宽度直至到达打印终点；
控制打印喷头从打印起点开始沿着打印路径移动并加速至第一预定位置处时达到稳定速度，在打印起点至第一预定位置之间的打印路径上，控制打印喷头以第一挤出速率挤出水泥打印材料；
控制打印喷头从第一预定位置开始按照稳定速度移动并切换至以第二挤出速率挤出水泥打印材料至第二预定位置，第二挤出速率大于第一挤出速率；
控制打印喷头从第二预定位置开始减速至打印终点处时停止，在第二预定位置至打印终点之间的打印路径上，按照第三挤出速率曲线控制打印喷头挤出水泥打印材料至打印终点处时停止挤出。
其进一步的技术方案为，第三挤出速率曲线为取值恒为0的曲线，则按照第三挤出速率曲线控制打印喷头挤出水泥打印材料至打印终点处时停止挤出，包括：在第二预定位置处控制打印喷头停止挤出水泥打印材料，打印喷头中的残留水泥打印材料在打印喷头的运动过程中继续挤出，从第二预定位置至打印终点之间的打印路径上的水泥打印材料的厚度依次减小。
其进一步的技术方案为，当前的分层切片包括若干段连续的待打印线段，打印喷头分别按照每个待打印线段对应的打印路径进行打印，则打印喷头在打印至一个待打印线段的打印终点后，直接将待打印线段的打印终点作为下一个待打印线段的打印起点进行打印。
其进一步的技术方案为，第三挤出速率曲线为取值依次减小的阶梯曲线，且打印喷头从第二预定位置开始按照减速曲线减速，减速曲线具有与第三挤出速率曲线相同的曲线特征；则按照第三挤出速率曲线控制打印喷头挤出水泥打印材料至打印终点处时停止挤出，包括：
在第二预定位置处控制打印喷头切换至第i阶梯挤出速率，按照第i阶梯挤出速率挤出水泥打印材料达到第i时长后切换至第i+1阶梯挤出速率，令i＝i+1并再次执行按照第i阶梯挤出速率挤出水泥打印材料达到第i时长后切换至第i+1阶梯挤出速率的步骤，直至打印喷头移动至打印终点处时第i+1阶梯挤出速率为0；i为参数且起始值为1，第i阶梯挤出速率随着i的取值增大而减小，且任意第i阶梯挤出速率与对应时间段内的打印喷头的移动速率比例均相等，从第二预定位置至打印终点之间的打印路径上的水泥打印材料的厚度相等。
其进一步的技术方案为，当前的分层切片包括若干段连续的待打印线段，打印喷头分别按照每个待打印线段对应的打印路径进行打印，则打印喷头在打印至一个待打印线段的打印终点后，将待打印线段的打印终点偏置打印宽度后的位置作为下一个待打印线段的打印起点进行打印。
其进一步的技术方案为，打印喷头从打印起点至第一预定位置匀加速运动至稳定速度，则打印起点至第一预定位置的打印长度为
Figure BDA0002842672740000021
v是稳定速度，a是打印喷头的加速度。
其进一步的技术方案为，根据分层切片得到的截面线轮廓上的数据点确定打印外轮廓和打印内轮廓，包括：
对截面线轮廓上的数据点进行预处理并删除共线的数据点；
比较预处理后的各个截面线轮廓的外接矩形之间的顶点坐标关系，确定截面线轮廓为打印外轮廓或打印内轮廓。
其进一步的技术方案为，对截面线轮廓上的数据点进行预处理并删除共线的数据点，包括对于任意的第一数据点、第二数据点、第三数据点：
若确定
Figure BDA0002842672740000031
则删除第一数据点，β为系数且β的取值在1的预定范围内，
Figure BDA0002842672740000032
表示第一数据点指向第二数据点的向量，
Figure BDA0002842672740000033
表示第一数据点指向第三数据点的向量；
或者，若确定
Figure BDA0002842672740000034
则删除第一数据点，d是第一数据点到第二数据点和第三数据点所确定的直线之间的垂直距离，dAC是第二数据点和第三数据点之间的距离，u为系数。
本发明的有益技术效果是：
本申请公开了一种3D水泥打印的打印控制方法，该方法根据3D水泥打印的特点，采用等距偏置轮廓进行路径规划，考虑到水泥宽度对打印起点和终点进行规划，避免了打印重叠现象，而且可以减少打印过程中的启停次数，形成结构紧密，效率高；而在打印过程中，对打印起点开始的一段距离和打印终点前的一段距离配置不同的挤出速率，可以有效地避免启停处积料的现象，从而使得3D水泥打印的精度更高。
附图说明
图1是本申请的3D水泥打印的打印控制方法的方法流程图。
图2是删除共线的数据点时使用到的各项参数的示意图。
图3是对截面线轮廓删除共线的数据点前后的状态示意图。
图4是确定打印外轮廓和打印内轮廓时的外接矩形示意图。
图5是第三挤出速率曲线的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
本申请公开了一种3D水泥打印的打印控制方法，该方法包括如下步骤，请参考图1所示的流程图：
步骤S1，根据分层切片得到的截面线轮廓上的数据点确定打印外轮廓和打印内轮廓。在本申请中，首先对截面线轮廓上的数据点进行预处理并删除共线的数据点，本申请实用的判断数据点是否共线的方法有如下两种，请参考图2：
(1)利用向量方向一致来判断是否共线：若确定
Figure BDA0002842672740000035
则删除第一数据点，β为系数且β的取值按照设定的误差在1的预定范围内，比如可以取为0.95。
Figure BDA0002842672740000041
表示第一数据点B指向第二数据点A的向量，
Figure BDA0002842672740000042
表示
Figure BDA0002842672740000043
的模、也即表示第一数据点B与第二数据点A之间的距离。
Figure BDA0002842672740000044
表示第一数据点B指向第三数据点C的向量，
Figure BDA0002842672740000045
表示
Figure BDA0002842672740000046
的模、也即表示第一数据点B与第三数据点C之间的距离。
(2)利用近似曲率的方法来判断是否共线：若确定
Figure BDA0002842672740000047
则删除第一数据点。d是第一数据点B到第二数据点A和第三数据点C所确定的直线之间的垂直距离，dAC是第二数据点A和第三数据点C之间的距离，u为系数。
如图3所示，在删除共线的数据点后，只留下了截面线轮廓的顶点，比较预处理后的各个截面线轮廓的外接矩形之间的顶点坐标关系即可确定截面线轮廓为打印外轮廓或打印内轮廓。如图4所示，截面线轮廓P1的外接矩形Q1的左下角顶点坐标为M1(XM1,YM1)、右上角顶点坐标为M1′(XM1′,YM1′)，截面线轮廓P2的外接矩形Q2的左下角顶点坐标为M2(XM2,YM2)、右上角顶点坐标为M2′(XM2′,YM2′)，则在确定
Figure BDA0002842672740000048
后即能确定截面线轮廓P1为打印外轮廓、截面线轮廓P2为打印内轮廓。
步骤S2，根据打印外轮廓和打印内轮廓规划打印路径，若打印路径的打印起点在打印外轮廓，则打印路径从打印起点开始沿着打印外轮廓逐圈向内偏置打印喷头的打印宽度W直至到达打印终点。若打印路径的打印起点在打印内轮廓，则打印路径从打印起点开始沿着打印内轮廓逐圈向外偏置打印宽度W直至到达打印终点。由于3D水泥打印壁厚比较均匀且内腔个数较少，打印过程基本上沿截面线轮廓进行，因此本申请采用等距偏置轮廓进行路径规划，可以很好地满足3D水泥打印的使用需求。
步骤S3，控制打印喷头从打印起点开始沿着打印路径移动并加速至第一预定位置处时达到稳定速度v，在打印起点至第一预定位置之间的打印路径上，控制打印喷头以第一挤出速率挤出水泥打印材料，第一挤出速率是一个比正常打印时的挤出速率小的挤出速率，保证水泥打印材料能充满打印喷头。
在本申请中，打印喷头从打印起点至第一预定位置以加速度a匀加速运动至稳定速度v，则打印起点至第一预定位置的打印长度为
Figure BDA0002842672740000049
步骤S4，控制打印喷头从第一预定位置开始按照稳定速度v移动并切换至以第二挤出速率挤出水泥打印材料至第二预定位置，第二挤出速率大于第一挤出速率，第二挤出速率即为正常打印时的挤出速率。
步骤S5，控制打印喷头从第二预定位置开始减速至打印终点处时停止，在第二预定位置至打印终点之间的打印路径上，按照第三挤出速率曲线控制打印喷头挤出水泥打印材料至打印终点处时停止挤出，本申请有如下两种控制方式：
方式一、第三挤出速率曲线为取值恒为0的曲线，也即在第二预定位置处控制打印喷头停止挤出水泥打印材料，此时打印喷头的运动速度也可以是从稳定速度v匀减速至0。但是由于控制指令的延迟性以及打印喷头中水泥打印材料的残留，在第二预定位置处停止打印喷头的挤出动作后，打印喷头中的残留水泥打印材料在打印喷头的运动过程中仍然会继续挤出，使得最终从第二预定位置至打印终点之间的打印路径上的水泥打印材料的厚度依次减小。
方式二、第三挤出速率曲线为取值依次减小的阶梯曲线。在第二预定位置处控制打印喷头切换至第i阶梯挤出速率，按照第i阶梯挤出速率挤出水泥打印材料达到第i时长后切换至第i+1阶梯挤出速率，令i＝i+1并再次执行按照第i阶梯挤出速率挤出水泥打印材料达到第i时长后切换至第i+1阶梯挤出速率的步骤，直至打印喷头移动至打印终点处时第i+1阶梯挤出速率为0，其中i为参数且起始值为1，第i阶梯挤出速率随着i的取值增大而减小。如图5所示，首先按照V1挤出Δt1时长后切换至V2，挤出Δt2时长后切换至V3，以此类推。
在这种情况中，打印喷头从第二预定位置开始按照减速曲线减速，其减速曲线具有与第三挤出速率曲线相同的曲线特征，也即在第二预定位置处控制打印喷头切换至第i阶梯移动速度，按照第i阶梯移动速度移动达到第i时长后切换至第i+1阶梯移动速度，令i＝i+1并再次执行按照第i阶梯移动速度移动达到第i时长后切换至第i+1阶梯移动速度的步骤，直至打印喷头移动至打印终点处时第i+1阶梯移动速度为0，第i阶梯挤出速率随着i的取值增大而减小。
而且在这种情况中，任意第i阶梯挤出速率与对应时间段内的打印喷头的移动速率(也即第i阶梯移动速度)比例均相等，因此从第二预定位置至打印终点之间的打印路径上的水泥打印材料的厚度相等。
可选的，在实际打印时，当前的分层切片包括若干段连续的待打印线段，打印喷头在打印每段待打印线段时的XY轴的移动方向不同，因此打印喷头分别按照每个待打印线段对应的打印路径进行打印，在打印完一段待打印线段后，调整XY轴的移动方向打印下一段待打印线段。则：
在上述方式一中，打印喷头在按照上述步骤S3～步骤S5打印至一段待打印线段的打印终点后，直接将该待打印线段的打印终点作为下一个待打印线段的打印起点进行打印，在方式一中，每一段待打印线段的打印终点处的水泥打印材料的厚度较小，而下一段待打印线段的打印起点处由于第一挤出速率较小，因此打印厚度也较小，直接将一段待打印线段的打印终点作为下一个待打印线段的打印起点正好可以让两段水泥打印材料叠加，使其总的厚度与预设的正常厚度可以几乎相等，并且很好的避免了启停处积料的现象。
而在上述方式二中，打印喷头在按照上述步骤S3～步骤S5打印至一段待打印线段的打印终点后，将待打印线段的打印终点偏置打印宽度W后的位置作为下一个待打印线段的打印起点进行打印。这是因为在方式二中，待打印线段的打印终点处的水泥打印材料的厚度等于预设的正常厚度，因此为了避免重叠现象，打印喷头的起点不能再设置在上一段待打印线段的打印终点处，需要向远离待打印线段的打印终点的方向偏移一个打印宽度W，从而也可以有效的避免启停处积料的现象。
在上述步骤S3-S5打印完成当前的分层切片的所有待打印线段后，寻找下一分层切片距离最近的位置然后按照上述打印控制方式再次打印，以此循环。通过对上下层最近点的寻找，减少了打印喷头移动，提高了打印效率。
以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种3D水泥打印的打印控制方法，其特征在于，所述方法包括：
根据分层切片得到的截面线轮廓上的数据点确定打印外轮廓和打印内轮廓；
根据所述打印外轮廓和打印内轮廓规划打印路径，若所述打印路径的打印起点在所述打印外轮廓，则所述打印路径从所述打印起点开始沿着所述打印外轮廓逐圈向内偏置打印喷头的打印宽度直至到达打印终点；若所述打印路径的打印起点在所述打印内轮廓，则打印路径从所述打印起点开始沿着所述打印内轮廓逐圈向外偏置所述打印宽度直至到达打印终点；
控制所述打印喷头从所述打印起点开始沿着所述打印路径移动并加速至第一预定位置处时达到稳定速度，在所述打印起点至所述第一预定位置之间的打印路径上，控制所述打印喷头以第一挤出速率挤出水泥打印材料；
控制所述打印喷头从所述第一预定位置开始按照所述稳定速度移动并切换至以第二挤出速率挤出水泥打印材料至第二预定位置，所述第二挤出速率大于所述第一挤出速率；
控制所述打印喷头从所述第二预定位置开始减速至打印终点处时停止，在所述第二预定位置至所述打印终点之间的打印路径上，按照第三挤出速率曲线控制所述打印喷头挤出水泥打印材料至所述打印终点处时停止挤出。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第三挤出速率曲线为取值恒为0的曲线，则所述按照第三挤出速率曲线控制所述打印喷头挤出水泥打印材料至所述打印终点处时停止挤出，包括：在所述第二预定位置处控制所述打印喷头停止挤出水泥打印材料，所述打印喷头中的残留水泥打印材料在所述打印喷头的运动过程中继续挤出，从所述第二预定位置至所述打印终点之间的打印路径上的水泥打印材料的厚度依次减小。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，当前的分层切片包括若干段连续的待打印线段，所述打印喷头分别按照每个待打印线段对应的打印路径进行打印，则所述打印喷头在打印至一个待打印线段的打印终点后，直接将所述待打印线段的打印终点作为下一个待打印线段的打印起点进行打印。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第三挤出速率曲线为取值依次减小的阶梯曲线，且所述打印喷头从所述第二预定位置开始按照减速曲线减速，所述减速曲线具有与所述第三挤出速率曲线相同的曲线特征；则所述按照第三挤出速率曲线控制所述打印喷头挤出水泥打印材料至所述打印终点处时停止挤出，包括：
在所述第二预定位置处控制所述打印喷头切换至第i阶梯挤出速率，按照第i阶梯挤出速率挤出水泥打印材料达到第i时长后切换至第i+1阶梯挤出速率，令i＝i+1并再次执行所述按照第i阶梯挤出速率挤出水泥打印材料达到第i时长后切换至第i+1阶梯挤出速率的步骤，直至所述打印喷头移动至所述打印终点处时所述第i+1阶梯挤出速率为0；i为参数且起始值为1，第i阶梯挤出速率随着i的取值增大而减小，且任意第i阶梯挤出速率与对应时间段内的所述打印喷头的移动速率比例均相等，从所述第二预定位置至所述打印终点之间的打印路径上的水泥打印材料的厚度相等。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，当前的分层切片包括若干段连续的待打印线段，所述打印喷头分别按照每个待打印线段对应的打印路径进行打印，则所述打印喷头在打印至一个待打印线段的打印终点后，将所述待打印线段的打印终点偏置所述打印宽度后的位置作为下一个待打印线段的打印起点进行打印。
6.根据权利要求1-5任一所述的方法，其特征在于，所述打印喷头从所述打印起点至所述第一预定位置匀加速运动至所述稳定速度，则所述打印起点至所述第一预定位置的打印长度为
Figure FDA0002842672730000021
v是所述稳定速度，a是所述打印喷头的加速度。
7.根据权利要求1-5任一所述的方法，其特征在于，所述根据分层切片得到的截面线轮廓上的数据点确定打印外轮廓和打印内轮廓，包括：
对所述截面线轮廓上的数据点进行预处理并删除共线的数据点；
比较预处理后的各个截面线轮廓的外接矩形之间的顶点坐标关系，确定截面线轮廓为打印外轮廓或打印内轮廓。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述对所述截面线轮廓上的数据点进行预处理并删除共线的数据点，包括对于任意的第一数据点、第二数据点、第三数据点：
若确定
Figure FDA0002842672730000022
则删除所述第一数据点，β为系数且β的取值在1的预定范围内，
Figure FDA0002842672730000023
表示所述第一数据点指向第二数据点的向量，
Figure FDA0002842672730000024
表示所述第一数据点指向第三数据点的向量；
或者，若确定
Figure FDA0002842672730000031
则删除所述第一数据点，d是所述第一数据点到所述第二数据点和第三数据点所确定的直线之间的垂直距离，dAC是所述第二数据点和所述第三数据点之间的距离，u为系数。
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