CN112776319B - 一种切片打印顺序优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种切片打印顺序优化方法，包括以下步骤：输入按照原始顺序排列的初始填充区域集；将初始填充区域集中的填充区域按层分为若干子合集，根据子集合顺序构建对应的空白优化填充区域集合A；按顺序选取一子集合作为当前子集合，判断其中是否存在过渡层；若存在，则将该子集合内所有填充区域按原始顺序存入集合A的对应位置；若不存在，进入下一步；将当前子集合内的填充区域进行分支化处理，并按照分支化顺序逐个存入集合A；返回上一步直至所有子集合全部处理完毕；输出重新规划打印顺序的集合A。本发明实现了模型分层打印与分支打印结合的优化规划方法，该方法可有效减少三维打印中的移动次数和喷头移动距离，降低打印时间。

Description

一种切片打印顺序优化方法

技术领域

本发明属于计算机辅助制造CAM(Computer aided manufacturing)技术领域，具体涉及一种切片打印顺序优化方法。

背景技术

随着计算机技术、材料成型技术的快速发展，三维打印技术成为了当前制造领域广泛应用的一种先进制造技术。利用分层制造的原理，三维打印技术逐层堆积材料以得到设计实现，特别适合制造具有复杂形状与拓扑的三维零件。

三维打印技术主要包含了在计算机上实施的制造工艺规划和在设备上实际制造实体零件成型两个关键技术环节，其中制造工艺规划主要包括三个步骤：第一步：针对用户输入的三维模型，用户在计算机上实现三维模型的分层切片；第二步：根据切片结果，生成精确可靠的切片轮廓；第三步：在切片轮廓内规划三维打印路径。

对模型切片分层截交计算后，在每一层截交平面上会得到大量散乱线段。拼接散乱线段后，每一层会得到若干个闭合轮廓。根据闭合轮廓，计算机控制设备实施打印。

当分层存在多个闭合轮廓时，采用的技术方案往往是对该层各封闭轮廓依次打印，该层打印完毕后再打印下一层。但是这种方案在处理树形结构(模型纵向存在多个分支)的模型时，打印喷头需要不断在不同轮廓间移动，将占用大量时间。现有技术方法存在改进空间。

发明内容

为了解决现有三维打印路径规划中树形结构模型在不同分支转换次数过多的缺点，本发明提供一种基于轮廓投影的切片打印顺序优化打印方法，该方法通过对分层轮廓重新组合，实现模型按分支打印的方法，优化打印路径规划，以改善传统分层打印中对树形结构打印规划效率不高的问题。该方法判断清晰，适应性广，是一种高效的3D打印路径规划方法。

一种切片打印顺序优化方法，包括以下步骤：

(1)输入按照原始顺序排列的初始填充区域集；

(2)将初始填充区域集中的填充区域按层分为若干子集合，根据子集合顺序构建对应的空白优化填充区域集合A；

(3)按顺序选取一没有经过处理的子集合作为当前子集合，判断其中是否存在过渡层；

若存在，则将该子集合内所有填充区域按原始顺序存入当前优化填充区域集合A的对应位置，并更新优化填充区域集合A；

若不存在，进入下一步；

(4)将当前子集合内的填充区域进行分支化处理，并按照分支化顺序逐个存入优化填充区域集合A，再次更新优化填充区域集合A；返回步骤(3)直至所有子集合全部处理完毕；

(5)输出重新规划打印顺序的优化填充区域集合A。

上述优化打印方法，将模型划分成多个打印分支，并采取按层打印和按分支打印相结合的路径规划方式，极大减少了打印过程中喷头在不同分支间快速移动的次数，节省了三维打印时间，优化了三维打印路径规划方法，尤其适用于带有分支结构的模型的三维打印。

作为优选，步骤(1)中，输入切片数据，得到切片轮廓，采用clipper方法在模型切片层内对轮廓进行运算，进而得到轮廓的填充区域。

步骤(1)中，切片数据由XY平面或者与XY平面平行的平面与目标模型截交求交线，得到某一层高处的截交线段。这些截交线段会在该平面组成若干个封闭轮廓。完成后得到这样的组织结构：目标模型划分成了若干个切片层，特定层高的切片层上有若干个封闭轮廓，轮廓由截交线段拼接而成。

利用clipper方法在切片层内对轮廓运算，得到分层轮廓的填充区域，并按照传统逐层打印的方式规划该填充区域的打印顺序，形成初始填充区域集。

作为优选，步骤(2)中，每个所述子集合的厚度小于打印喷头的凸出尺寸，避免出现打印喷头再转换打印区域时与已打印的模型干涉的问题。所述打印喷头包括喷头主体和喷嘴，喷嘴的一端嵌入喷头主体内，另一端伸出喷头主体；前述打印喷头的凸出尺寸即喷嘴伸出喷头主体的尺寸。

喷头主体可与喷嘴是一体成型件，也可以是固定喷嘴的独立结构，其径向尺寸一般大于喷嘴的径向尺寸，在打印过程中，若子集合的厚度大于喷嘴伸出喷头主体的尺寸，在更换打印区域时容易造成与已打印的模型干涉，因此需要控制子集合厚度。

作为优选，步骤(3)中，按照由下至上的顺序依次选取子集合，保证打印由下至上依次进行。

作为优选，步骤(3)中，判断当前子集合中是否存在过渡层时，自下而上依次进行如下判断：若子集合中某一层内的填充区域数量与其下面相邻层内的填充区域数量不相等，则该层为所述过渡层。

当一个子集合中出现过渡层时，说明该过渡层内的填充区域的数量与其下一层内的填充区域的数量不相等，这种情况下该子集合内的填充区域则不能被规划成多个打印分支，需采用逐层打印的方式进行规划打印。

作为优选，步骤(4)中，将当前子集合内的填充区域进行分支化处理，并按照分支化顺序逐个存入优化填充区域集合A的方法如下：

针对当前子集合，从最底层或最顶层开始，任意或按照顺序选取一未处理的填充区域作为当前填充区域，根据相邻层填充区域是否存在交集，依次寻找当前填充区域的所有相关填充区域，得到当前填充区域对应的相关填充区域分支，并将该相关填充区域分支中的填充区域按照从下到上的顺序依次存入到优化填充区域集合A中，按照相同方法完成所有相关填充区域分支的存入。

上述选取一未处理的填充区域时，可以按照逆时针或者顺时针的顺序进行填充区域的选择，该顺序作为最终的打印顺序被保存在优化填充区域集合A中。

作为进一步优选，判断相邻层填充区域是否存在交集的方法为：利用clipper库，将相邻层填充区域对应的轮廓输入clipper库进行交集运算。

作为更进一步优选，利用clipper库对轮廓进行求交运算时，若填充区域是由内层轮廓和外层轮廓共同限定，则输入clipper库进行交集运算的应为该填充区域的外层轮廓。

clipper是一种图形处理库，可用于解决平面二维图形的交、并、差等运算和偏置处理，在3D打印领域有着广泛应用。在clipper库中，所有算法的输入输出都是path对象(二维多段线)，在本文中，封闭轮廓都是path对象。在clipper库中，输入的轮廓按其作用可被分为两个类别，一类是subject，一类是clip。在求交运算中，clip与subject等价可互换，求得的结果是两个轮廓同时覆盖到的平面区域，不重合的部分将被舍弃。

作为具体优选，将当前子集合内的填充区域进行分支化处理，并按照分支化顺序逐个存入优化填充区域集合A的方法如下：

由当前子集合内的最底层即第1层(i＝1)或最顶层即第k层(i＝k)开始选取；

4.1、选取当前子集合中第i层内的任意或按照顺序选取一未处理的填充区域作为当前填充区域，其中i∈[1,k]，k为当前子集合中切片层数；

4.2、将当前填充区域对应的轮廓和第i+1层(从最底层开始的情况)或i-1层(从对底层开始的情况)内的填充区域对应的轮廓分别向XY平面内投影，利用clipper库，找出第i+1或i-1层内与当前填充区域对应的轮廓投影有交集的轮廓投影对应的填充区域；

4.3、将4.2中找出的填充区域作为当前填充区域，并以第i+1或i-1层作为当前层i(即i＝i+1或i＝i-1)，重复步骤4.1和4.2判断出下一当前填充区域，直至i+1＞k或i-1＜0时，得到一个与当前填充区域相关的打印分支，并停止判断；

4.4、将4.3中得到的组成打印分支的填充区域标记并按照由下至上的顺序存入优化填充区域集合A中，并更新优化填充区域集合A；

4.5、按照4.1-4.4中的判断方法，依次找到与第i层内每个未被标记的填充区域相关的打印分支，并将每个打印分支内的填充区域标记并按照由下至上的顺序存入优化填充区域集合A中，直至当前子集合内所有的填充区域均被标记，完成当前子集合内填充区域的分支化处理，并更新优化填充区域集合A。

上述步骤4.2中，所述XY平面应理解为水平面，并与将模型切片的平面平行。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明的打印方法在对目标模型切片建立相关模型结构的基础上对路径规划进行优化，针对具有分支结构的模型，将生成的填充区域按层分为若干个子集合，将子集合内每层内填充区域个数相等的子集合运用将切片生成的填充区域向XY平面上投影，得到相邻切片层内在XY平面上的投影存在交集的填充区域，并将相互关联的填充区域划分成一个打印分支，采用逐分支打印；将子集合内每层填充区域的个数不完全相等的子集合采用传统的逐层打印，从而提出逐层打印与逐分支打印结合的路径规划方式。

本发明的打印方法因运算量小具有较高的处理效率，同时极大减少了在具有分支结构的模型的三维打印路径规划中打印喷头在不同分支间快速移动(G0)的次数，进而减少了三维打印时间，优化了三维打印路径规划方法。且逻辑清晰简单，可以为具有分支结构的模型打印提供更高效的路径规划方法。

附图说明

图1为本发明的切片打印顺序优化方法的流程示意图；

图2a为本发明的优化方法中模型切片示意图；

图2b为本发明的优化方法中投影方法示意图；

图3为传统规划方法和本发明方法的打印过程示意图；

图4为实施例中不同规划方法的快速移动距离(G0)比较。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明技术方案做进一步详细说明，以下实施例不构成对本发明的限定。

如图1所示，一种切片打印顺序优化方法，具体实施步骤如下：

步骤101：输入按照原始顺序排列(逐层打印方式)的初始填充区域集{FillsTotal_h}，其中，h∈[1,a]，a为模型切片的总层数。

如图2a和b所示，由XY平面与目标模型截交求交线，得到该层高处的截交线段，这些截交线段会在该平面组成若干个封闭轮廓。完成后得到这样的组织结构：目标模型划分成了若干个切片层，特定层高的切片层上有若干个封闭轮廓。利用射线法判断轮廓间的包含关系，基于轮廓包含关系，利用clipper方法在切片层内对轮廓运算，得到分层轮廓的填充区域，按照此组织结构建立初始填充区域集{FillsTotal_h}。

步骤102：将{FillsTotal_h}中的填充区域按层划分成若干子集合{FillsSet_t}，其中，t∈[1,b]，b为子集合的总个数；根据子集合的顺序构建对应的空白优化填充区域集合A。

以上步骤102中，将{FillsTotal_h}中的填充区域以n层作为一组集合并形成若干子集合{FillsSet_t}，在切片层厚度一定的情况下，n的取值与喷头的几何尺寸有关，在采取逐分支打印的方式时如果不对n加以限定，可能出现喷头在转换打印区域时与已打印模型干涉的问题，为避免打印干涉，单分支打印的堆叠厚度即n层切片层的厚度不能大于打印喷头凸出尺寸。

步骤103：按照由下至上的顺序选取一个没有经过处理的子集合{FillsSet_t}作为当前子集合。

步骤104：判断当前子集合{FillsSet_t}中是否存在过渡层，若存在，则执行步骤204，将该子集合{FillsSet_t}内所有填充区域按原始顺序存入当前优化填充区域集合A的对应位置，并更新优化填充区域集合A；

若不存在，则进行下一步。

以上步骤104中，若子集合中某一层内的填充区域数量与其下面相邻层内的填充区域数量不相等，则认为该层为过渡层。当某一层内的填充区域数量为1时，同样认为该层是过渡层。做此处理的原因是提前识别出需要保留原有逐层打印方式和按分支打印方式的子集合。

步骤105：将当前子集合{FillsSet_t}内的填充区域进行分支化处理，并按照分支化顺序逐个存入优化填充区域集合A，再次更新优化填充区域集合A；返回步骤(3)直至所有子集合{FillsSet_t}全部处理完毕；

上述步骤105的具体操作步骤如下：

由当前子集合{FillsSet_t}内的最底层即第1层(i＝1)开始选取；

105-1、选取当前子集合{FillsSet_t}中第i层内的任意或按照顺序选取一未处理的填充区域作为当前填充区域，其中i∈[1,k]，k为当前子集合{FillsSet_t}中切片层数；

105-2、将当前填充区域对应的轮廓和第i+1层内的填充区域对应的轮廓分别向XY平面内投影，利用clipper库，找出第i+1层内与当前填充区域对应的轮廓投影有交集的轮廓投影对应的填充区域；

当填充区域由内层轮廓和外层轮廓共同限定时，则上述输入clipper库进行交集运算的应为该填充区域的外层轮廓在XY面上的投影。

105-3、将105-2中找出的填充区域作为当前填充区域，并以第i+1层作为当前层i(即i＝i+1)，重复步骤105-1和105-2判断出下一当前填充区域，直至i+1＞k时，得到一个与当前填充区域相关的打印分支，并停止判断；

105-4、将105-3中得到的组成打印分支的填充区域标记并按照由下至上的顺序存入优化填充区域集合A中；

105-5、按照105-1-105-4中的判断方法，依次找到与第i层内每个未被标记的填充区域相关的打印分支，并将每个打印分支内的填充区域标记并按照由下至上的顺序存入优化填充区域集合A中，直至当前子集合{FillsSet_t}内所有的填充区域均被标记，完成当前子集合{FillsSet_t}内填充区域的分支化处理。

步骤106：重复步骤103-105，直至所有子集合{FillsSet_t}全部处理。

步骤107：输出重新规划打印顺序的优化填充区域集合A。

本发明的典型实施例如下：

1、取具有分支结构的模型如图3所示；

2、假定喷头凸出长度10mm；

3、两种规划方法比较，如图3所示是两种规划方法的图示说明，将四脚方桌模型切片处理，分别采用传统方法和本发明方法进行打印路径规划。

传统方法为逐层打印，打印喷头在同一层的不同填充区域间移动；本发明方法是在一个打印分支内打印喷头在同一填充区域重复向上堆积，同一填充区域打印完毕后跳转到下一打印分支。在模型打印过程中，模型喷料打印过程(G1)两种方法完全相同，故只需比较快速移动(G0)的距离来展示本发明方法的优势。分别取不同的切片厚度，统计两种方法的快速移动(G0)的距离和使用本发明方法后快速移动(G0)减少率。

4、最后的结果对比见图4，由图4可知，在具有分支结构的模型的打印背景下，相比于传统方法，本发明提供的方法快速移动(G0)减少率在不同层高切片中均较大，对快速移动距离(G0)的减少作用明显，且随着层数划分更加精细，快速移动(G0)减少率随之增加，说明该方法在处理大量数据时会有更明显的效果。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的一般技术人员来说，本发明还可以有各种更改和变化。在不脱离本发明原理的前提下，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种切片打印顺序优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)输入按照原始顺序排列的初始填充区域集；

(2)将初始填充区域集中的填充区域按层分为若干子集合，根据子集合顺序构建对应的空白优化填充区域集合A；

(3)按顺序选取一没有经过处理的子集合作为当前子集合，判断其中是否存在过渡层；

若存在，则将该子集合内所有填充区域按原始顺序存入当前优化填充区域集合A的对应位置，并更新优化填充区域集合A；

若不存在，进入下一步；

(4)将当前子集合内的填充区域进行分支化处理，并按照分支化顺序逐个存入优化填充区域集合A，再次更新优化填充区域集合A；返回步骤(3)直至所有子集合全部处理完毕；

(5)输出重新规划打印顺序的优化填充区域集合A；

步骤(3)中，判断当前子集合中是否存在过渡层时，自下而上依次进行如下判断：若子集合中某一层内的填充区域数量与其下面相邻层内的填充区域数量不相等，则该层为所述过渡层；

步骤(4)中，将当前子集合内的填充区域进行分支化处理，并按照分支化顺序逐个存入优化填充区域集合A的方法如下：

针对当前子集合，从最底层或最顶层开始，任意或按照顺序选取一未处理的填充区域作为当前填充区域，根据相邻层填充区域是否存在交集，依次寻找当前填充区域的所有相关填充区域，得到当前填充区域对应的相关填充区域分支，并将该相关填充区域分支中的填充区域按照从下到上的顺序依次存入到优化填充区域集合A中，按照相同方法完成所有相关填充区域分支的存入。

2.根据权利要求1所述的切片打印顺序优化方法，其特征在于，步骤(1)中，输入切片数据，得到切片轮廓，采用clipper方法在模型切片层内对轮廓进行运算，进而得到轮廓的填充区域。

3.根据权利要求1所述的切片打印顺序优化方法，其特征在于，步骤(2)中，每个所述子集合的厚度小于打印喷头的凸出尺寸。

4.根据权利要求1所述的切片打印顺序优化方法，其特征在于，步骤(3)中，按照由下至上的顺序依次选取子集合。

5.根据权利要求1所述的切片打印顺序优化方法，其特征在于，判断相邻层填充区域是否存在交集的方法为：利用clipper库，将相邻层填充区域对应的轮廓输入clipper库进行交集运算。

6.根据权利要求5所述的切片打印顺序优化方法，其特征在于，利用clipper库对轮廓进行求交运算时，若填充区域是由内层轮廓和外层轮廓共同限定，则输入clipper库进行交集运算的应为该填充区域的外层轮廓。

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