CN113172879A - 一种应用于熔融沉积式3d打印的裙边生成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明应用于熔融沉积式3D打印的裙边生成方法属于增材制造领域；该方法通过计算不同情况下轮廓点的偏置过程，利用道格拉斯‑普克化简曲线特征点计算几何理论，发展了一种轮廓偏置线简化处理方法，根据裙边结构的功能特点，基于射线法和轮廓偏置算法生成一种新型裙边结构；该新型裙边生成方法实现的裙边结构既可以增大打印制成件与打印平台的附着力，可在满足打印模型翘曲量较小的前提下更易于去除处理，并且起始层表面质量较好，减少了辅助结构对成型质量的影响，并且节省原材料；本发明解决传统熔融沉积式3D打印裙边方法在起始层裙边结构存在平台附着效果不好、浪费打印材料及打印完成后不易去除的问题。

Description

一种应用于熔融沉积式3D打印的裙边生成方法
技术领域
本发明一种应用于熔融沉积式3D打印的裙边生成算法属于增材制造领域。
背景技术
在3D打印加工构造模型期间，需要对数字化模型进行预处理和切片处理，该过程涉及的切片算法直接影响打印模型的速度和精度。其中，裙边算法是3D打印切片中的重要算法，主要作用是在打印模型的起始层时，通过生成裙边结构增大模型与打印平台的接触面积，提高平台附着力，减少模型发生翘曲变形现象。但目前3D打印领域对裙边算法的研究较少，现有的几种裙边结构存在附着效果不好或者打印完成后不易去除等问题，由此产生的翘曲变形和去除时损坏模型现象都会严重影响打印模型的质量。
因此，根据增材制造工艺的原理和打印模型的成型要求，对裙边算法提出了要求。裙边结构既要增大打印模型与打印平台的附着力，又要在打印完成后易于去除，减少裙边结构对模型打印质量的影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种应用于熔融沉积式3D打印的新型裙边算法，该算法应能解决以下两个方面的问题：
第一、在满足打印模型翘曲量较小的前提下更易于去除处理，并且起始层表面质量较好，减少了辅助结构对成型质量的影响，具有实用性，而非理论性算法；
第二、可将算法应用于熔融沉积式3D打印切片过程中，使算法得到实践应用。
为实现以上目标，本发明采用的技术方案步骤如下：
一种应用于熔融沉积式3D打印的裙边生成方法，在FDM-3D打印中切片控制软件裙边生成功能中实现；包括以下步骤：
步骤a、导入预打印零件模型，零件的起始层轮廓向外偏置距离d，并设置新型裙边的底边距离为d1，相邻距离为d2以及第三点偏置距离H；
步骤b、利用道格拉斯-普克边缘线简化算法对偏置的起始层轮廓进行简化处理，给定最短线段长度Lmin和允许误差距离Hmin，取最短线段长度平力
Figure BDA0003062528760000011
和允许误差距离平方
Figure BDA0003062528760000012
为算法实际判断基准；
步骤c、对轮廓偏置线中首尾两个顶点保留，不做取舍处理，以第二个顶点作为首个待简化判断的坐标点，命名为Bcurrent，并将该点前后相邻的两点命名为Aprevious和Cnext；步骤d、计算Aprevious与Bcurrent两点距离的平方值
Figure BDA0003062528760000021
并判断
Figure BDA0003062528760000022
是否小于
Figure BDA0003062528760000023
若
Figure BDA0003062528760000024
则继续执行下一步，否则跳转至步骤g；
步骤e、计算由Aprevious、Bcurrent和Cnext构成的三角形过点Bcurrent的高平方值
Figure BDA0003062528760000025
判断
Figure BDA0003062528760000026
是否小于
Figure BDA0003062528760000027
若
Figure BDA0003062528760000028
则继续执行步骤f，否则跳转至步骤g；
步骤f、确定偏置线简化条件：当某顶点同时满足其与上一个顶点的距离小于给定的最短线段长度以及其与前后相邻顶点构成三角形的高小于允许误差距离，则舍弃该点；
步骤g、判断Bcurrent是否满足简化条件，如果：
是，则Bcurrent点被舍弃，若Bcurrent为多边形起始层轮廓偏置线点集中倒数第二个顶点，则轮廓偏置线简化算法处理结束，否则Aprevious坐标点保持不变，将Cnext赋值给Bcurrent，并取 Bcurrent的下一个相邻顶点为Cnext，跳转到步骤d；
否，则Bcurrent点被保留，若Bcurrent为多边形起始层轮廓偏置线点集中倒数第二个顶点，则轮廓偏置线简化算法处理结束，否则先将Bcurrent赋值Aprevious，并把Cnext赋值给Bcurrent，最后取Bcurrent的下一个相邻顶点为Cnext，跳转到步骤d；
步骤h、取简化后的偏置起始层轮廓集合中各边的两端点坐标A′(x′1，y′1)和B′(x′2，y′2)求出线段A′B′的长度LA′B′，并计算该边长度LA′B′被相邻距离为d2分割的段数N；
步骤i、求出各分割段的Ai和Bi坐标，其中i＝1，2，......，N，并计算线段AiBi所在直线的斜率 k值以及各段AiBi的两个第三点坐标Ci和C′i；
步骤j、基于射线法区分Ci和C′i中满足在多边形轮廓内部的坐标点并将其保留，并令该点为Ci；
步骤k、遍历求出偏置起始层轮廓集合中所有边的第三点Ci，并按照新型裙边的生成路径的打印顺序A′、Ai、Ci、Bi将各点坐标信息存储在Vector容器中，生成基于轮廓偏置的新型裙边结构，其中i＝1，2，……，N。
有益效果：
本发明所提出的一种熔融沉积式3D打印新型裙边算法生成的裙边与常见的Skirt、Brim 和Raft类型裙边结构比较，新型裙边结构在满足打印模型翘曲量较小的前提下，更易于去除处理，起始层表面质量较好，减少了辅助结构对成型质量的影响。
附图说明
图1是一种应用于熔融沉积式3D打印新型裙边算法的流程图。
图2是多边形模型的单层截面。
图3是廓等距离偏置示意图。
图4是轮廓偏置线简化处理流程图。
图5是判断目标点P位置图。
图6是新型裙边结构示意图。
图7是模型裙边结构。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细描述。
一种应用于熔融沉积式3D打印的裙边生成方法，在FDM-3D打印中切片控制软件裙边生成功能中实现，其算法流程图如图1所示；包括以下步骤：
步骤a、导入预打印零件模型，该单层截面的多边形尺寸是84.00mm*66.00mm，如图2 所示；零件的起始层轮廓向外偏置距离d＝2mm，据实验模型的尺寸特点，在切片过程中设置新型裙边的底边距离为d1＝3mm，相邻距离为d2＝5mm，并且为保证裙边结构与打印零件起始层的接触面积，第三点偏置距离H的值应该略大于轮廓偏置距离d，在本实施方式中，设置第三点偏置距离H＝2.4mm，生成轮廓偏置线如图3示，虚线部分为该多边形轮廓L1、L2和L3的轮廓偏置线；
步骤b、利用道格拉斯-普克边缘线简化算法对偏置的起始层轮廓进行简化处理，给定最短线段长度Lmin和允许误差距离Hmin，取最短线段长度平力
Figure BDA0003062528760000031
和允许误差距离平力
Figure BDA0003062528760000032
为算法实际判断基准；其中，道格拉斯-普克边缘线简化算法流程图如图4所示；
步骤c、对轮廓偏置线中首尾两个顶点保留，不做取舍处理，以第二个顶点作为首个待简化判断的坐标点，命名为Bcurrent，并将该点前后相邻的两点命名为Aprevious和Cnext；步骤d、计算Aprevious与Bcurrent两点距离的平方值
Figure BDA0003062528760000033
并判断
Figure BDA0003062528760000034
是否小于
Figure BDA0003062528760000035
若
Figure BDA0003062528760000036
则继续执行下一步，否则跳转至步骤g；
步骤e、计算由Aprevious、Bcurrent和Cnext构成的三角形过点Bcurrent的高平方值
Figure BDA0003062528760000037
判断
Figure BDA0003062528760000038
是否小于
Figure BDA0003062528760000039
若
Figure BDA00030625287600000310
则继续执行步骤f，否则跳转至步骤g；
步骤f、确定偏置线简化条件：当某顶点同时满足其与上一个顶点的距离小于给定的最短线段长度以及其与前后相邻顶点构成三角形的高小于允许误差距离，则舍弃该点；
步骤g、判断Bcurrent是否满足简化条件，如果：
是，则Bcurrent点被舍弃，若Bcurrent为多边形起始层轮廓偏置线点集中倒数第二个顶点，则轮廓偏置线简化算法处理结束，否则Aprevious坐标点保持不变，将Cnext赋值给Bcurrent，并取 Bcurrent的下一个相邻顶点为Cnext，跳转到步骤d；
否，则Bcurrent点被保留，若Bcurrent为多边形起始层轮廓偏置线点集中倒数第二个顶点，则轮廓偏置线简化算法处理结束，否则先将Bcurrent赋值Aprevious，并把Cnext赋值给Bcurrent，最后取Bcurrent的下一个相邻顶点为Cnext，跳转到步骤d；
步骤h、取简化后的偏置起始层轮廓集合中各边的两端点坐标A′(x′1，y′1)和B′(x′2，y′2)，求出线段A′B′的长度LA′B′，并计算该边长度LA′B′被相邻距离为d2分割的段数N；
步骤i、求出各分割段的Ai和Bi坐标，其中i＝1，2，......，N，并计算线段AiBi所在直线的斜率 k值以及各段AiBi的两个第三点坐标Ci和C′i；
步骤j、基于射线法区分Ci和C′i中满足在多边形轮廓内部的坐标点并将其保留，并令该点为Ci；所谓射线法，即从目标点引出一条水平向右的射线，并计算与多边形的交点个数；如果有奇数个交点，则说明在内部，如果有偶数个交点，则说明在外部；如图5示，目标点P 向右引出射线，与多边形轮廓存在4个交点，则点P在多边形外部；
步骤k、遍历求出偏置起始层轮廓集合中所有边的第三点Ci，并按照新型裙边的生成路径的打印顺序A′、Ai、Ci、Bi将各点坐标信息存储在Vector容器中，生成基于轮廓偏置的新型裙边结构，其中i＝1，2，......，N；得到裙边结构示意图如图6所示，最终生成模型的裙边结构如图7所示。

Claims (1)

1.一种应用于熔融沉积式3D打印的裙边生成方法，在FDM-3D打印中切片控制软件裙边生成功能中实现；其特征在于，包括以下步骤：
步骤a、导入预打印零件模型，零件的起始层轮廓向外偏置距离d，并设置新型裙边的底边距离为d1，相邻距离为d2以及第三点偏置距离H；
步骤b、利用道格拉斯-普克边缘线简化算法对偏置的起始层轮廓进行简化处理，给定最短线段长度Lmin和允许误差距离Hmin，取最短线段长度平力
Figure FDA0003062528750000011
和允许误差距离平力
Figure FDA0003062528750000012
为算法实际判断基准；
步骤c、对轮廓偏置线中首尾两个顶点保留，不做取舍处理，以第二个顶点作为首个待简化判断的坐标点，命名为Bcurrent，并将该点前后相邻的两点命名为Aprevious和Cnext；
步骤d、计算Aprevious与Bcurrent两点距离的平方值
Figure FDA0003062528750000013
并判断
Figure FDA0003062528750000014
是否小于
Figure FDA0003062528750000015
若
Figure FDA0003062528750000016
则继续执行下一步，否则跳转至步骤g；
步骤e、计算由Aprevious、Bcurrent和Cnext构成的三角形过点Bcurrent的高平方值
Figure FDA0003062528750000017
判断
Figure FDA0003062528750000018
是否小于
Figure FDA0003062528750000019
若
Figure FDA00030625287500000110
则继续执行步骤f，否则跳转至步骤g；
步骤f、确定偏置线简化条件：当某顶点同时满足其与上一个顶点的距离小于给定的最短线段长度以及其与前后相邻顶点构成三角形的高小于允许误差距离，则舍弃该点；
步骤g、判断Bcurrent是否满足简化条件，如果：
是，则Bcurrent点被舍弃，若Bcurrent为多边形起始层轮廓偏置线点集中倒数第二个顶点，则轮廓偏置线简化算法处理结束，否则Aprevious坐标点保持不变，将Cnext赋值给Bcurrent，并取Bcurrent的下一个相邻顶点为Cnext，跳转到步骤d；
否，则Bcurrent点被保留，若Bcurrent为多边形起始层轮廓偏置线点集中倒数第二个顶点，则轮廓偏置线简化算法处理结束，否则先将Bcurrent赋值Aprevious，并把Cnext赋值给Bcurrent，最后取Bcurrent的下一个相邻顶点为Cnext，跳转到步骤d；
步骤h、取简化后的偏置起始层轮廓集合中各边的两端点坐标A′(x′1，y′1)和B′(x′2，y′2)，求出线段A′B′的长度LA′B′，并计算该边长度LA′B′被相邻距离为d2分割的段数N；
步骤i、求出各分割段的Ai和Bi坐标，其中i＝1，2，……，N，并计算线段AiBi所在直线的斜率k值以及各段AiBi的两个第三点坐标Ci和C′i；
步骤j、基于射线法区分Ci和C′i中满足在多边形轮廓内部的坐标点并将其保留，并令该点为Ci；
步骤k、遍历求出偏置起始层轮廓集合中所有边的第三点Ci，并按照新型裙边的生成路径的打印顺序A′、Ai、Ci、Bi将各点坐标信息存储在Vector容器中，生成基于轮廓偏置的新型裙边结构，其中i＝1，2，……，N。
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