CN113001707B - 一种面向陶瓷3d打印的薄壳加厚方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种面向陶瓷3D打印的薄壳加厚方法及系统，获取薄壳模型对应的G‑code文件；对当前层进行分析，检测搭欠面积，并进行当前层受力分析，判断是否满足可打印条件；对不满足可打印性的区域进行优化处理，如果搭欠面积不满足可打印条件，加宽当前层线宽，扩大当前层受力不稳定的重叠区域，进行加厚，直到能支撑起上一层最内侧路径；取下一层，并重复处理，直到所有层完成处理；输出可打印文件，以进行打印。本发明对于输出的模型，可以不添加支撑，避免拆除支撑时破坏模型，提高打印制造的成功率。

Description

一种面向陶瓷3D打印的薄壳加厚方法及系统

技术领域

本发明属于3D打印技术领域，具体涉及一种面向陶瓷3D打印的薄壳加厚方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

陶瓷具有优异的耐腐蚀、耐高温、硬度高、机械强度高、密度低、吸水率低等优点，已在日用生活、建筑卫生、化工电气等各领域得到广泛应用。传统陶瓷制品种类繁多、性能各异，随着高新技术工业的兴起，各种新型特种陶瓷也获得较大发展。陶瓷已日渐成为良好的结构和功能材料。

陶瓷制品的成形，就是采用不同方法将坯料制成具有一定形状和尺寸的坯件。根据坯料含水率和性能的差异，传统成形方法分为可塑法、注浆法和压制法。从生产过程来说，其生产周期长，手工操作多，劳动强度大，占地面积大，材料消耗多。

3D打印可以从数字文件制造具有高度复杂几何形状的固体对象。随着数字设计和制造技术的日益发展，3D打印精度与打印速度逐渐提高，3D打印设备与打印材料也逐渐多样化。这些技术通过数字建模，仿真以及物理过程的日益增强，使得陶瓷3D打印技术受到了学术界和业界的广泛关注。墨水直写(DIW)是一种基于挤出的3D打印技术，以粘土为打印材料，逐层滴下、沉淀粘性浆料，形成有形产品，具有成本效益和环保特点。

壳体结构是指仅在物体表面在其体积内有一层薄的材料而没有内部填充物，广泛应用于，如火箭发动机机体、飞机机体、石油天然气行业的锅炉、艺术工艺品等领域。挤出型陶泥打印是一种有效的制造壳体结构的方法。

然而在使用陶泥打印薄壳结构时，由于陶泥层间附着力较弱，无法抵抗打印机喷头移动时产生的水平剪切力；同时粘土不会立即干燥，随着新层的堆积，粘结力力矩与上层重力力矩之间的平衡有可能被打破，制造过程中容易发生塌陷，打印成功率低。这对薄壳结构的数字化设计和制造提出了新的挑战。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种面向陶瓷3D打印的薄壳加厚方法及系统，本发明通过对薄壳模型的可打印行进行分析，判断模型是否可以通过优化避免坍塌，实现打印；对于需要优化的模型，进行加厚，使得在不破坏模型外观的前提下打印成型。对于输出的模型，可以不添加支撑，避免拆除支撑时破坏模型，提高打印制造的成功率。

根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：

一种面向陶瓷3D打印的薄壳加厚方法，包括以下步骤：

步骤(1)：获取薄壳模型对应的G-code文件；

步骤(2)：对当前层进行分析，检测搭欠面积，并进行当前层受力分析，判断是否满足可打印条件；

步骤(3)：对不满足可打印性的区域进行优化处理，如果搭欠面积不满足可打印条件，加宽当前层线宽，扩大当前层受力不稳定的重叠区域，进行加厚，直到能支撑起上一层最内侧路径；

步骤(4)：取下一层，并重复步骤(2)到步骤(3)，直到所有层完成处理；

步骤(5)：输出可打印文件，以进行打印。

作为可选择的实施方式，所述步骤(2)中，检测搭欠面积的具体过程包括对当前层进行分析，检测当前层与下层的搭欠面积，来判断是否可以打印，搭欠面积小于设定值的为不满足条件。

作为可选择的实施方式，所述步骤(2)中，进行当前层受力分析的具体过程包括：将轮廓进行重采样得到一系列密集的采样点，然后每个点向上层距离寻找距离最近的采样点；对于当前轮廓，计算出每个点的层间结合力力矩，以及重力力矩，若层间结合力力矩等于每一点的层间结合力力矩之和，以及重力力矩大于设置阈值，则一定不会坍塌，否则有坍塌的风险。

作为进一步的限定，层间结合力的计算方法是：单位面积层间结合力为P，上下两层的接触面积为S_i,每一点处层间结合力为：F_i＝P*S_i。

作为进一步的限定，重力力矩的计算方法是：重力为上层累计重量，根据上层所有的累积的重力、当前层的重力、上层整体的重心以及当前层的重心，计算出每一层重心的位置，再投影到当前层上，计算出每一点的重力力矩，最终重力力矩取这一层所有力矩的最大值。

作为可选择的实施方式，所述步骤(3)的具体过程包括：

步骤(3-1)：若是上下两层的搭欠面积小于A₀，则加宽当前层线宽，使得上下两层的搭欠面积达到最小搭欠面积A₀；

步骤(3-2)：根据受力计算，如果当前层不稳定，则扩大重叠区域，使层间附着力的力矩增大到能够抵抗重力力矩，若是当前层加厚到上一层的内边缘时，此时再加厚也无法增加层间结合力力矩，若此时仍然没有达到平衡状态，则将上一层宽度增加w₀，然后重新计算当前层，若当前层已加厚至完全填充时，仍不满足平衡条件，则判定该模型为不可打印模型，结束整个流程；

步骤(3-3)：在计算出当前层所需的线宽w后，若此线宽超过打印机喷头可以支持的最大线宽w_max，则将线宽w分割成多个w_i<w_max的多条可打印路径，分割完成后，要考虑每一条路径的下方都要有A₀的面积支撑，若是当前层没有支撑起上一层最内侧路径，则继续加厚当前层，直到能支撑起上一层最内侧路径。

作为可选择的实施方式，所述步骤(5)中，进行打印时，在分割线宽之后获得的路径按照从内而外的顺序，先打印内圈再打印外圈。

一种面向陶瓷3D打印的薄壳加厚系统，包括：

模型接收模块，被配置为获取薄壳模型对应的G-code文件；

判断模块，被配置为对当前层进行分析，检测搭欠面积，并进行当前层受力分析，判断是否满足可打印条件；

优化模块，被配置为对不满足可打印性的区域进行优化处理，如果搭欠面积不满足可打印条件，加宽当前层线宽，扩大当前层受力不稳定的重叠区域，进行加厚，直到能支撑起上一层最内侧路径；

模型输出模块，被配置为输出可打印文件，以进行打印。

一种计算机可读存储，其中介质存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行上述一种面向陶瓷3D打印的薄壳加厚方法的步骤。

一种终端设备，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行上述一种面向陶瓷3D打印的薄壳加厚方法的步骤。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提出了一种基于力矩平衡的轻量化薄壳结构分析方法，避免使用传统有限元方法，降低了计算的复杂度，在计算时节省了大量时间。

本发明提出了一种基于局部壳体增厚的结构优化算法，扩展了薄壳模型在陶瓷3D打印中的可制造性，使得部分原本不可使用陶瓷3D打印机打印的薄壳模型可制造。

本发明对于输出的模型，不会添加支撑，避免拆除支撑时破坏模型。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

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

图1为本发明的总体流程图；

图2为本发明中算法流程图；

图3为本发明中重心计算示意图；

图4为本发明中力矩计算示意图；

图5为本发明中增加线宽示意图

图6为本发明中分割线宽示意图；

图7为本发明中轮廓支撑示意图；

图8为本发明中部分结果展示。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明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发明的示例性实施方式。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，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本实施例提供了一种面向薄壳结构加厚方法及系统，直接面向制造过程，对用户给定的薄壳模型进行分析，判断可打印性，对于可以通过优化进行制造的，通过加厚算法进行优化并直接输出可打印文件(如图1所示)。否则判定为不可打印的薄壳模型，即使填充为实心模型也无法打印制造。

如图2所示，一种面向薄壳结构可用于陶泥打印的加厚方法，包括以下步骤：

步骤(1)：用户输入薄壳模型对应的G-code文件。

步骤(2)：对当前层进行分析，判断是否满足可打印条件。

步骤(3)：对不满足可打印性的进行优化处理。

步骤(4)：取下一层重复步骤2，步骤3。

步骤(5)：输出可打印文件。

接下来，针对本发明方法中的每一个步骤进行具体阐述：

所述步骤(1)中主要包含以下步骤：

步骤(1-1)：用户输入模型，我们要求输入薄壳模型切片完成后的G-code文件，切片固定高度。

所述步骤(2)中主要包含以下步骤：

步骤(2-1)：检测搭欠面积。对当前层进行分析，检测当前层与下层的搭欠面积，来判断是否可以打印。搭欠面积小于50％的定为高风险。

步骤(2-2)：通过对当前层受力分析，来判断是否有坍塌的风险。具体而言：首先将轮廓进行重采样得到一系列密集的采样点，然后每个点向上层距离寻找距离最近的采样点；对于当前轮廓，计算出每个点的层间结合力力矩，以及重力力矩。层间结合力的计算方法是：单位面积层间结合力为P(通过实验测量得出)，上下两层的接触面积为S_i,每一点处层间结合力为：F_i＝P*S_i。重力为上层累计重量，重心计算的方法如图3所示，上层所有的累积的重力大小为G₂,当前层的重力大小为G₁，上层整体的重心为C₂，当前层的重心为C₁，通过公式

计算出每一层重心的位置，再投影到当前层上。如图4所示，每一点的重力力矩为

为保证这个轮廓每一点处都不会坍塌，因此重力力矩取这一层所有力矩的最大值，这一层的整体的重力力矩为

每一点的层间结合力力矩为

这一层的整体的层间结合力力矩为

若τ^F≥τ^G,则一定不会坍塌，否则就有坍塌的风险。

所述步骤(3)中主要包含以下步骤：

步骤(3-1)：若是上下两层的搭欠面积小于A₀，则加宽当前层线宽，使得上下两层的搭欠面积达到最小搭欠面积A₀。

步骤(3-2)：根据步骤(2-2)的受力计算，如果当前层不稳定，则扩大重叠区域，使层间附着力的力矩增大到能够抵抗重力力矩。若是当前层加厚到上一层的内边缘时，此时再加厚也无法增加层间结合力力矩，若此时仍然没有达到平衡状态，则将上一层宽度增加w₀，然后重新计算当前层。为了避免改变壳体的外表面，只允许向内表面加厚，如图5所示。若当前层已加厚至完全填充时，仍不满足平衡条件，则判定该模型为不可打印模型，程序结束。

步骤(3-3)：分割线宽。在计算出当前层所需的线宽w后，若此线宽超过打印机喷头可以支持的最大线宽w_max，则将线宽w分割成多个w_i<w_max的多条可打印路径，如图6所示。当分割完成后，要考虑每一条路径的下方都要有A₀的面积支撑，若是当前层没有支撑起上一层最内侧路径，则继续加厚当前层，直到能支撑起上一层最内侧路径，如图7所示。

所述步骤(4)中主要包含以下步骤：

步骤(4-1)：从模型最上层开始，取下一层作为当前层重复步骤(2)，步骤(3)，直到对所有层完成处理。

所述步骤(5)中主要包含以下步骤：

步骤(5-1)：对优化后的结果输出打印文件。在一层中，由于线宽被加厚，从而在一个轮廓内产生多条路径，在打印两条相邻的路径时，由于泥的软硬程度，打印机误差等因素，挤出量与计算的会存在误差，后打印的陶泥线条可能会对先打印的陶泥线条造成挤压从而引起变形。为保证打印质量，在分割线宽之后获得的路径按照从内而外的顺序，先打印内圈再打印外圈，保证了最外层不会受到挤压，从而保证外观不变。

本发明还提供一种面向陶瓷3D打印的薄壳加厚系统，包括：

模型接收模块，被配置为获取薄壳模型对应的G-code文件；

判断模块，被配置为对当前层进行分析，检测搭欠面积，并进行当前层受力分析，判断是否满足可打印条件；

优化模块，被配置为对不满足可打印性的区域进行优化处理，如果搭欠面积不满足可打印条件，加宽当前层线宽，扩大当前层受力不稳定的重叠区域，进行加厚，直到能支撑起上一层最内侧路径；

模型输出模块，被配置为输出可打印文件，以进行打印。

一种计算机可读存储，其中介质存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行上述一种面向陶瓷3D打印的薄壳加厚方法的步骤。

一种终端设备，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行上述一种面向陶瓷3D打印的薄壳加厚方法的步骤。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

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

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种面向陶瓷3D打印的薄壳加厚方法，其特征是：包括以下步骤：

步骤(1)：获取薄壳模型对应的G-code文件；

步骤(2)：对当前层进行分析，检测搭欠面积，并进行当前层受力分析，判断是否满足可打印条件；

步骤(3)：对不满足可打印性的区域进行优化处理，如果搭欠面积不满足可打印条件，加宽当前层线宽，扩大当前层受力不稳定的重叠区域，进行加厚，直到能支撑起上一层最内侧路径；

步骤(4)：取下一层，并重复步骤(2)到步骤(3)，直到所有层完成处理；

步骤(5)：输出可打印文件，以进行打印；

所述步骤(2)中，进行当前层受力分析的具体过程包括：将轮廓进行重采样得到一系列密集的采样点，然后每个点向上层距离寻找距离最近的采样点；对于当前轮廓，计算出每个点的层间结合力力矩，以及重力力矩，若层间结合力力矩等于每一点的层间结合力力矩之和，以及重力力矩大于设置阈值，则一定不会坍塌，否则有坍塌的风险。

2.如权利要求1所述的一种面向陶瓷3D打印的薄壳加厚方法，其特征是：所述步骤(2)中，检测搭欠面积的具体过程包括对当前层进行分析，检测当前层与下层的搭欠面积，来判断是否可以打印，搭欠面积小于设定值的为不满足条件。

3.如权利要求1所述的一种面向陶瓷3D打印的薄壳加厚方法，其特征是：层间结合力的计算方法是：单位面积层间结合力为P，上下两层的接触面积为S_i,每一点处层间结合力为：F_i＝P*S_i。

4.如权利要求1所述的一种面向陶瓷3D打印的薄壳加厚方法，其特征是：重力力矩的计算方法是：重力为上层累计重量，根据上层所有的累积的重力、当前层的重力、上层整体的重心以及当前层的重心，计算出每一层重心的位置，再投影到当前层上，计算出每一点的重力力矩，最终重力力矩取这一层所有力矩的最大值。

5.如权利要求1所述的一种面向陶瓷3D打印的薄壳加厚方法，其特征是：所述步骤(3)的具体过程包括：

步骤(3-1)：若是上下两层的搭欠面积小于A₀，则加宽当前层线宽，使得上下两层的搭欠面积达到最小搭欠面积A₀；

步骤(3-2)：根据受力计算，如果当前层不稳定，则扩大重叠区域，使层间附着力的力矩增大到能够抵抗重力力矩，若是当前层加厚到上一层的内边缘时，此时再加厚也无法增加层间结合力力矩，若此时仍然没有达到平衡状态，则将上一层宽度增加w₀，然后重新计算当前层，若当前层已加厚至完全填充时，仍不满足平衡条件，则判定该模型为不可打印模型，结束整个流程；

步骤(3-3)：在计算出当前层所需的线宽w后，若此线宽超过打印机喷头可以支持的最大线宽w_max，则将线宽w分割成多个w_i<w_max的多条可打印路径，分割完成后，要考虑每一条路径的下方都要有A₀的面积支撑，若是当前层没有支撑起上一层最内侧路径，则继续加厚当前层，直到能支撑起上一层最内侧路径。

6.如权利要求1所述的一种面向陶瓷3D打印的薄壳加厚方法，其特征是：所述步骤(5)中，进行打印时，在分割线宽之后获得的路径按照从内而外的顺序，先打印内圈再打印外圈。

7.一种面向陶瓷3D打印的薄壳加厚系统，其特征是：包括：

模型接收模块，被配置为获取薄壳模型对应的G-code文件；

判断模块，被配置为对当前层进行分析，检测搭欠面积，并进行当前层受力分析，判断是否满足可打印条件；

优化模块，被配置为对不满足可打印性的区域进行优化处理，如果搭欠面积不满足可打印条件，加宽当前层线宽，扩大当前层受力不稳定的重叠区域，进行加厚，直到能支撑起上一层最内侧路径；

模型输出模块，被配置为输出可打印文件，以进行打印；

进行当前层受力分析的具体过程包括：将轮廓进行重采样得到一系列密集的采样点，然后每个点向上层距离寻找距离最近的采样点；对于当前轮廓，计算出每个点的层间结合力力矩，以及重力力矩，若层间结合力力矩等于每一点的层间结合力力矩之和，以及重力力矩大于设置阈值，则一定不会坍塌，否则有坍塌的风险。

8.一种计算机可读存储，其特征是：其中介质存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行权利要求1-6中任一项所述的一种面向陶瓷3D打印的薄壳加厚方法的步骤。

9.一种终端设备，其特征是：包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行权利要求1-6中任一项所述的一种面向陶瓷3D打印的薄壳加厚方法的步骤。

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