CN113158270A - 一种增材制造自适应复合分层切片方法 - Google Patents

一种增材制造自适应复合分层切片方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及3D打印技术领域，提供了一种增材制造自适应复合分层切片方法，其主旨在于实现将内部使用最大层厚打印，外部根据表面曲率大小使用变层厚打印，以及解决由此带来的同一切片单元内外部高度不一致，影响打印质量的问题。主要方案包括将内部使用最大层厚打印，外部根据表面曲率大小进行自适应分层，使用不同的层厚进行打印，自适应分层中如果某一层厚小于设备支持的最小打印厚度tmin，则与下一层合并，直至厚度大于等于tmin；如果某一层厚大于设备支持的最大打印层厚tmax，则将该层分解为两层，其中一层的层厚为tmax，剩余层厚继续整理，直至每层层厚均小于等于tmax；最终得到自适应分层层厚序列T{ti}。

Description

一种增材制造自适应复合分层切片方法
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，提供了一种自适应复合分层切片方法。
背景技术
增材制造(Additive Manufacturing，AM)技术，又称3D打印，是利用材料逐层累加的方法制造工件的新型制造技术。根据成型工艺技术的不同，常用的有光固化成形(SLA)、熔融沉积成型(FDM)、激光选区熔化(SLM)等方法。无论何种成型工艺，其采用的均是分层叠加成型的制造原理，因此对数字模型的分层是3D打印中必不可少的一环。此外，在工件的实际加工过程中，分层的情况会影响打印质量和打印时间，因此分层在3D打印中有着举足轻重的地位。
等厚分层是最早应用于3D打印的分层方法，即按照初始设定的厚度值将待加工工件的数字模型切分为一系列薄片进行加工，其原理简单，容易实现，程序执行速度快。但是如果分层厚度过大，工件表面特别是轮廓曲率变化较大的表面会出现明显的“阶梯效应”现象，造成工件表面打印质量下降；如果分层厚度过小，工件的打印时间过长，成型效率低下。为了解决打印效率和打印质量的平衡问题，又出现了自适应分层方法。这种方法的思路是根据工件表面的粗糙度或精度的要求，适应性地改变分层的厚度，轮廓曲率变化较大的地方使用小层厚，轮廓曲率变化较小的地方使用大层厚，这样能很好的抑制台阶效应，同时又减少加工时间。
另一方面，传统的分层方法都是将打印工件整体进行切片，得到每层的加工轮廓。为了进一步提高加工效率，复合分层方法被提了出来，即将打印工件分为表面和内部两个部分，表面采用较小的打印厚度，内部采用较大的打印厚度进行加工。对于内部，定层厚加工即可达到最佳效果，但表面层可采用自适应分层进一步优化加工效率，本专利结合自适应分层和复合分层的思想，提出了一种自适应复合分层切片算法。
基于FDM技术3D打印机切片方式的设计一文中提出构建一种新型的切片方式，分别采用不同层厚对工件的外表面、辅助支撑、内部支撑进行分层处理。其主要利用增加的大直径喷头来增加打印速度，想借此来增加打印速度和工件强度。但是该文对外部支撑做出的增大喷头直径的做法会使支撑难以剥离；更重要的是该文仅以简单的正方体作为示例，并未提出一种具有普遍适用性的切片方法。
熔融沉积型3D打印的四步分层方法[2]一文中提出了“表面精细，内部快速”的分层方法，将模型分为外部区域和内部区域。外部区域采用最薄层厚，内部区域采用最大层厚。这种分层方法不仅满足了表面的精度要求，而且总体打印时间少。但是该文表面使用的最小层厚打印，这会增加表面的打印时间。
一种增材制造的复合式分层切片算法提出了一种具体的复合分层切片算法。该方法将工件划分为外表面和内部两个部分，分别打印以提高加工效率。该种方法适用于各种复杂程度的工件，能够在保证工件加工精度和力学性能的前提下提高打印速度，并适用于SLA、SLS、FDM等多种主流3D打印工艺。
发明内容
本发明的目的在于实现将内部使用最大层厚打印，外部根据表面曲率大小使用变层厚打印，以及解决由此带来的同一切片单元内外部高度不一致，从而造成打印出现断层，工件表面出现突起或凹陷，影响打印质量的问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种增材制造自适应复合分层切片方法，其特征在于包括：
内部使用最大层厚打印，外部根据表面的轮廓曲率大小将工件进行自适应分层，使用不同的层厚进行打印，其中自适应分层包括以下步骤：
步骤1)、确定切片位置Zi；
步骤2)、遍历STL模型的三角面片，找出与平面Zi相交的所有三角面片Tr{ tri}；
步骤3)、利用式：
Figure BDA0002977338130000021
计算集合Tr中每个三角面片与平面Zi的夹角θi，并找出其中最小的夹角值θ，N为三角面片的法向量，Z为分层方向，θ为N与Z的夹角；
步骤4)、如果
Figure BDA0002977338130000022
则取层厚值h为设备支持的最大层厚；如果
Figure BDA0002977338130000023
则利用式：
Figure BDA0002977338130000031
求出h，其中H由用户设定，则H就是顶尖高；
步骤5)、得到下一层的切片位置Zi+1＝Zi+h；
步骤6)、循环步骤2)至步骤5)，直至将需要切片的部分全部分层，最后一层的厚度取剩余层厚和计算层厚h中值较小的一个，得到初始层厚序列T′；
步骤7)、整理层厚序列T′：如果某一层厚小于设备支持的最小打印厚度tmin，则与下一层合并，直至厚度大于等于tmin；如果某一层厚大于设备支持的最大打印层厚tmax，则将该层分解为两层，其中一层的层厚为tmax，剩余层厚继续整理，直至每层层厚均小于等于tmax；最终得到自适应分层层厚序列T{ti}。
在上述技术方案的基础上，待加工工件的总高度为H，需将其分为3个部分：起始高度Hb、结束高度He和中间高度Hm；
起始高度Hb、结束高度He均进行整体打印，无需进行复合分层，使用前述顶尖高度法进行自适应分层，可得到起始层厚序列tbj(j＝1，2，3...)和结束层厚序列tej(j＝1，2，3...)；
中间高度Hm，将其分为多个厚度为tmax的切片单元，对于每个切片单元，将其内部和外部分开打印，内部层厚均为tmax，外部利用顶尖高度法进行自适应分层得到不同的表面层厚序列to(j，k)(j＝1，2，3...；k＝1，2，3...)。
在上述技术方案的基础上，偏置距离B为层片轮廓向内偏置以获得外部层片打印轮廓的距离，B值取打印设备支持的最小层厚tmin的整数倍，即B＝ntmin (n＞1)。
在上述技术方案的基础上，还包括步骤：
3.1、获取工件层片轮廓：对于中间高度Hm，需要复合切片的部分，需要进一步确定表面层和内部层的打印轮廓，根据中间部分表面层厚序列to(j，k)对工件进行切片，得到若干完整轮廓；
3.2、偏置层片轮廓获得偏置轮廓：将每个切片单元对应的若干完整轮廓和保护层轮廓向内偏置偏置距离B得到偏置轮廓；
3.3、偏置轮廓取交获得内部打印轮廓：将得到的偏置轮廓进行布尔交运算得到内部打印轮廓；
3.4、完整层片轮廓减去内部轮廓获得表面打印轮廓：用完整轮廓分别与内部打印轮廓做布尔差运算，获得表面打印轮廓；
3.5、循环步骤3.1-步骤3.4直至所有的切片单元都完成复合切片。
因为本法发明采用上述技术方案，因此具备以下有益效果：
第一：由于内部采用最大层厚打印，所以节省打印时间，提高打印效率。
第二：每一层的内部层厚对应的外部层厚使用自适应层厚，减小阶梯效应，提高了打印精度。
第三：对每一切片单元内部层厚对应的自适应外部层厚进行适当调整，保证每个切片单元内外高度一致，保证了打印质量。
附图说明
图1复合切片的原理示意图；
图2复合切片的流程图；
图3顶尖高度示意图；
图4规划参数示意图
图5初始切片结果；
图6某一切片单元的完整层片轮廓；
图7某一切片单元的偏置轮廓；
图8内部打印轮廓；
图9表面打印轮廓；
图10自适应复合切片结果
图中1为内部，2为外部表层。
具体实施方式
本算法在深入研究表面的轮廓曲率与打印质量以及打印效率的关系后，提出一种自适应复合分层切片算法。其主要思想是内部使用最大层厚打印，外部根据表面的轮廓曲率大小将工件进行自适应分层，使用不同的层厚打印，以近一步提高加工速度，改善打印质量。
图1是复合切片的原理示意图，除起始区域和顶部区域外，将工件其余区域划分为内部和表面，内部使用最大层厚打印，外部使用自适应层厚打印。
图2所示为复合切片的基本流程：首先读取STL模型文件，获取模型文件的相关数据；然后对工件分层参数进行规划，得到自适应层厚序列；接下来按层厚序列进行复合切片，获取对应的层片轮廓；最后根据填充结果生成填充路径，输出G代码。
基于“顶尖高度法”的自适应分层方法
切片过程中会用到自适应分层方法，本提案采用顶尖高度法进行自适应分层。顶尖高度是指3D打印的实际表面与STL模型表面的最大距离，如图3所示。AB是实际打印的工件表面，AC是STL模型的三角面片，BC为上一个相邻的分层面，h为当前表面的分层厚度，N为三角面片的法向量，Z为分层方向，θ为N与Z的夹角，范围为θ∈[0，π]，则H就是顶尖高度。
通过三角函数可推导出顶尖高度H与分层厚度h之间的关系，如式(1)和式(2)所示：
Figure BDA0002977338130000051
Figure BDA0002977338130000052
顶尖高度越大，说明工件表面曲率变化越大，层厚值应该取得越小。用户可以根据自己的加工精度要求设定最大顶尖高度，则能够计算出相应的层厚。使用顶尖高度法进行自适应分层的具体步骤如下：
1)、确定切片位置Zi；
2)、遍历STL模型的三角面片，找出与平面Zi相交的所有三角面片Tr{tri} ；
3)、利用式(2)计算集合Tr中每个三角面片与Zi平面的夹角θi，并找出其中最小的夹角值θ；
4)、如果
Figure BDA0002977338130000053
则取层厚值h为设备支持的最大层厚；如果
Figure BDA0002977338130000054
则利用式(1)求出h，其中H由用户设定；
5)、得到下一层的切片位置Zi+1＝Zi+h；
6)、循环2)至5)，直至将需要切片的部分全部分层，最后一层的厚度取剩余层厚和计算层厚h中值较小的一个，得到初始层厚序列T′；
7)、整理层厚序列T′：如果某一层厚小于设备支持的最小打印厚度tmin，则与下一层合并，直至厚度大于等于tmin；如果某一层厚大于设备支持的最大打印层厚tmax，则将该层分解为两层，其中一层的层厚为tmax，剩余层厚继续整理，直至每层层厚均小于等于tmax；最终得到自适应分层层厚序列T{ti}。
3.自适应复合切片步骤
步骤一：读取工件模型
读入打印工件的STL模型，进行必要的预处理。
步骤二：工件分层参数规划
2.1确定需要完整打印的起始高度、结束高度，以及需要复合打印的中间高度。
待加工工件的总高度为H，需将其分为3个部分：完整打印起始高度Hb、完整打印结束高度He和复合打印的中间高度Hm。工件的最开始几层和最后几层必须完整打印，是为了保证工件表面的完整性。为了节省成本，可以只打一层，但一般情况下为了保证工件的力学性能，打印3-5层为宜，用户可根据质量要求自行确定Hb；中间高度Hm应为打印设备支持的最大层厚tmax的整数倍，即Hm＝ntmax(n为自然数)；则有结束高度为Hm＝H-Hb-Hm，为了保证打印质量，一般应满足He≥Hb。如果不满足，可将中间高度减少一个切片单元，将该切片单元作为结束高度的一部分，即Hm＝(n-1)tmmax，He新＝He原+ tmax。
2.2确定起始层厚序列、中间层厚序列和结束层厚序列
起始层和结束层均进行整体打印，无需进行复合分层。使用前述顶尖高度法进行自适应分层，可得到起始层厚序列tbj(j＝1，2，3...)和结束层厚序列tej(j＝1，2，5...)。
工件的中间区域，将其分为多个厚度为tmax的切片单元。对于每个切片单元，将其内部和表面分开打印，内部层厚均为tmax。表面利用前述顶尖高度法进行自适应分层得到不同的表面层厚序列to(j，k)(j＝1，2，3...；k＝1，2，3...)。
本部分规划完成的部分参数如图4所示。
步骤三：获取工件内外轮廓
3.1确定偏置距离
偏置距离B为层片轮廓向内偏置以获得外部层片打印轮廓的距离，B推荐取打印设备支持的最小层厚tmin的整数倍，即B＝ntmin(n＞1)。
3.2确定保护层
对于设置保护层的原因和原理，在“一种增材制造的复合式分层切片算法”中有明确的论述，本提案不再赘述。对于自适应复合分层算法，保护层的确定策略为：一般情况下，保护层取某一切片单元相邻的下一个切片单元的第一个层片轮廓和其相邻的上一个切片单元的最后一个层片轮廓。对于第一个切片单元，取下一个切片单元的第一个层片轮廓作为保护层；对于最后一个切片单元，取上一个切片单元的最后一个层片轮廓作为保护层。
为了方便说明，以保龄球工件示例进行说明。该模型H＝38mm，打印机设备支持的层厚范围为tmin＝0.1mm，tmax＝0.8mm。取Hb＝0.8mm，He＝1.2mm ，B＝4*0.1＝0.4mm。根据前述步骤二的规划，整个工件被分为54个切片单元，初始切片结果如图5所示。
3.3获取工件层片轮廓
对于中间需要复合切片的部分，需要进一步确定表面层和内部层的打印轮廓。根据步骤二所确定的中间部分表面层厚序列to(j，k)对工件进行切片，得到若干完整轮廓。以中间区域一个包含4个层片轮廓的切片单元为例，具体位置如图 5所示，得到的层片轮廓形状如图6所示。其中编号1和6的层片为保护层，编号2-5的层片为该切片单元对应的外部层完整轮廓。
3.4偏置层片轮廓获得偏置轮廓
将上一步得到的层片轮廓向内偏置步骤3.1确定的偏置距离B得到偏置轮廓。上述的6个层片轮廓将其偏置B＝0.4mm后，得到如图7所示的6个偏置轮廓。
3.5偏置轮廓取交获得内部打印轮廓
将上一步得到的偏置轮廓进行布尔交运算得到内部打印轮廓。上述1-6号偏置轮廓做布尔交运算后的内部轮廓如图8所示。
3.6完整层片轮廓减去内部轮廓获得表面打印轮廓
用步骤3.3中属于本打印单元的完整层片轮廓分别与上一步获得的内部打印轮廓做布尔差运算，获得表面打印轮廓。对于示例工件，将步骤3.3中的2- 5号层片轮廓减去步骤3.5中的内部轮廓获得表面打印轮廓，如图9所示，阴影部分即为表面打印轮廓。
循环步骤三，直至所有的切片单元都完成复合切片。图10为示例工件复合切片的结果。
步骤四：生成填充路径，输出G代码；
完成工件的切片分层之后，规划喷头的运动路径。将规划好的打印信息编译为打印机能够识别的G代码，打印工件。

Claims (4)

1.一种增材制造自适应复合分层切片方法，其特征在于包括：
内部使用最大层厚打印，外部根据表面的轮廓曲率大小将工件进行自适应分层，使用不同的层厚进行打印，其中自适应分层包括以下步骤：
步骤1)、确定切片位置Zi；
步骤2)、遍历STL模型的三角面片，找出与平面Zi相交的所有三角面片Tr{tri}；
步骤3)、利用式：
Figure FDA0002977338120000011
计算集合Tr中每个三角面片与平面Zi的夹角θi，并找出其中最小的夹角值θ，N为三角面片的法向量，Z为分层方向，θ为N与Z的夹角；
步骤4)、如果
Figure FDA0002977338120000012
则取层厚值h为设备支持的最大层厚；如果
Figure FDA0002977338120000013
则利用式：
Figure FDA0002977338120000014
求出h，其中H由用户设定，则H就是顶尖高；
步骤5)、得到下一层的切片位置Zi+1＝Zi+h；
步骤6)、循环步骤2)至步骤5)，直至将需要切片的部分全部分层，最后一层的厚度取剩余层厚和计算层厚h中值较小的一个，得到初始层厚序列T′；
步骤7)、整理层厚序列T′：如果某一层厚小于设备支持的最小打印厚度tmin，则与下一层合并，直至厚度大于等于tmin；如果某一层厚大于设备支持的最大打印层厚tmax，则将该层分解为两层，其中一层的层厚为tmax，剩余层厚继续整理，直至每层层厚均小于等于tmax；最终得到自适应分层层厚序列T{ti}。
2.根据权利要求1所述的一种增材制造自适应复合分层切片方法，其特征在于，待加工工件的总高度为H，需将其分为3个部分：起始高度Hb、结束高度He和中间高度Hm；
起始高度Hb、结束高度He均进行整体打印，无需进行复合分层，使用前述顶尖高度法进行自适应分层，可得到起始层厚序列tbj(j＝1，2，3...)和结束层厚序列tej(j＝1，2，3...)；
中间高度Hm，将其分为多个厚度为tmax的切片单元，对于每个切片单元，将其内部和外部分开打印，内部层厚均为tmax，外部利用顶尖高度法进行自适应分层得到不同的表面层厚序列to(j，k)(j＝1，2，3...；k＝1，2，3...)。
3.根据权利要求1所述的一种增材制造自适应复合分层切片方法，其特征在于，还包括步骤：
3.1、获取工件层片轮廓：对于中间高度Hm，需要复合切片的部分，需要进一步确定表面层和内部层的打印轮廓，根据中间部分表面层厚序列to(j，k)对工件进行切片，得到若干完整轮廓；
3.2、偏置层片轮廓获得偏置轮廓：将每个切片单元对应的若干完整轮廓和保护层轮廓向内偏置偏置距离B得到偏置轮廓；
3.3、偏置轮廓取交获得内部打印轮廓：将得到的偏置轮廓进行布尔交运算得到内部打印轮廓；
3.4、完整层片轮廓减去内部轮廓获得表面打印轮廓：用完整轮廓分别与内部打印轮廓做布尔差运算，获得表面打印轮廓；
3.5、循环步骤3.1-步骤3.4直至所有的切片单元都完成复合切片。
4.根据权利要求3所述的一种增材制造自适应复合分层切片方法，其特征在于，偏置距离B为层片轮廓向内偏置以获得外部层片打印轮廓的距离，B值取打印设备支持的最小层厚tmin的整数倍，即B＝ntmin(n＞1)。
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