CN113255021A - 3d打印支撑结构的生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种3D打印支撑结构的生成方法，包括以下步骤：使用Delaunay三角形剖分方法将支撑面重构为三角形网格；使用火烧法对三角形网格进行分类提取，生成单元集合；使用圆锥相交法对单元集合进行处理，生成支撑点重构支撑面，本发明还可以实现支撑结构的进一步优化。本发明生成的支撑结构不仅减少支撑结构与打印模型的接触面积，还有利于实现支撑结构与模型的快速分离，不易损坏打印模型。

Description

3D打印支撑结构的生成方法

技术领域

本发明涉及3D打印领域，具体涉及一种3D打印支撑结构的生成方法。

背景技术

3D打印是一种快速成型技术，3D打印机内装有金属、陶瓷、塑料、砂等不同的打印材料，通过控制把打印材料一层层叠加起来形成为实物。常用的3D打印技术主要加工过程是，将丝状的热熔性材料热熔化，通过带有一个微细的喷头将融化的材料喷出，熔融的丝材被喷出后随即会合前一层材料粘合固化，一层材料沉积后工作台按设置的程序下降或者喷嘴上升一个层面的厚度，然后重复上述步骤直到完成工件的制造。即通过从最底层开始打印。因此对于具有悬空结构的工件，如果下面没有支撑结构则无法打印。

目前，在现有技术中，现在的普遍做法是在打印开始从最底层打印需要支撑结构，支撑结构与工件一体成型，支撑部分和工件靠材料型号、成型密度、成型方式进行区分，打印完成后再将支撑部分去除，最终获得需要的打印工件。缺点是不仅浪费加工的材料和加工时间，后期处理支撑结构与工件难以无破损分离，导致工件被破坏。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种3D打印支撑结构的生成方法，以解决现有技术缺陷。

为实现上述目的，本发明提供一种3D打印支撑结构的生成方法，包括以下步骤：

S1、使用Delaunay三角形剖分方法将支撑面重构为三角形网格；

S2、使用火烧法对所述三角形网格进行分类提取，生成单元集合；

S3、使用圆锥相交法对所述单元集合进行处理，生成支撑点重构支撑面。

进一步地，步骤S1具体包括：

输入支撑面的三维点坐标至系统，将所述三维点坐标映射到平面上得到二维点坐标，使用Delaunay三角形剖分方法以所述二维点坐标为单元节点进行三角形网格划分，将三角形网格的坐标替换所述支撑面的三维点坐标，生成所述支撑面的三角形网格。

进一步地，步骤S2具体包括：

S201、任意选取一个三角形网格，标记后加入第一输出三角形网格集合，并将其作为火烧点等待处理；

S202、将与所述火烧点共用节点且未被标记的邻接三角形网格标记后加入未被处理的单元集合；

S203、选取所述未被处理的单元集合中的第一个三角形网格作为新的火烧点，提取与所述新火烧点共用节点的且未被标记的邻接单元后并将所述邻单元全部标记，将所述邻接单元中的第一个邻接单元加入到所述第一输出三角形网格集合后从所述邻接单元中删除，将剩余的邻接单元加入未被处理的单元集合；

S204、重复上述步骤S203，直至未被处理的单元集合为空。

进一步地，步骤S2还包括以下步骤：

S205、将未加入第一输出三角形网格集合的节点加入第一点集合，遍历第一点集合中的所有节点，查找所述第一点集合中每个节点的所有邻接三角形网格与第一输出三角形网格的共边三角形网格，将查找到的所述共边三角形网格与所述邻接三角形网格构造成为一个四边形单元并加入第一输出四边形单元集合，此时输出为所述第一输出三角形网格集合、所述第一点集合、所述第一输出四边形单元集合；若无所述共边三角形网格，则不进行处理，输出为所述第一输出三角形网格集合、所述第一点集合、所述第一输出四边形单元集合，其中所述第一输出四边形单元集合为空集合。

进一步地，步骤S3具体包括如下步骤：

S301、将所述第一输出三角形网格集合、所述第一输出四边形单元集合中每个单元边的端点处竖直向下生成一个与Z轴有夹角的圆锥，没有输入角度则默认所述夹角为预先设定的角度，每个单元边生成两个圆锥，取从Z轴向下两个圆锥的第一个交点坐标；

S302、按照步骤S301中处理所得到的交点坐标做算术平均值运算，得到所述第一输出三角形网格集合、所述第一输出四边形单元集合中各个单元的新支撑点坐标；

S303、将所述第一点集合复制一份为第二点集合，查找所有新支撑点坐标中的最小Z坐标，用所述最小Z坐标替换所述第一输出三角形网格集合、所述第一输出四边形单元集合中各个单元新支撑点的Z坐标以及第二点集合中点的Z坐标，得到最终支撑点集合。

6、根据权利要求5所述的3D打印支撑结构的生成方法，其特征在于，还包括如下步骤：

S4、对步骤S3重构的支撑面，重复步骤S1～S3，重复次数为N，N≥1。

进一步地，3D打印支撑结构的生成方法还包括如下步骤：

S5、将所述第一输出三角形网格集合、所述第一输出四边形单元集合、所述第一点集合与所述最终支撑点集合之间的坐标分别匹配，重构支撑结构的枝干，并将所述枝干数据以矩阵形式存储并输出。

进一步地，3D打印支撑结构的生成方法还包括如下步骤：

S6、对所述重构的支撑结构进行桁架优化。

本发明所提供的3D打印支撑结构的生成方法，可以节省加工材料及加工时间，还可以减少支撑结构与工件的接触面积，有利于后期快速分离。

附图说明

图1是本发明实施例3D打印支撑结构的生成方法的第一流程示意图；

图2是本发明实施例3D打印支撑结构的生成方法的第二流程示意图；

图3是本发明实施例火烧法的原理图；

图4是本发明实施例火烧法的处理过程示意图；

图5是本发明实施例经过烧法处理后的三角形网格示意图；

图6是本发明实施例三角形网格的示意图；

图7是本发明实施例圆锥相交法的原理图；

图8是本发明实施例经过圆锥相交法处理后的三角形网格和支撑点的示意图；

图9Ⅰ-图9Ⅲ是本发明实施例匹配重构支撑结构的枝干的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互结合。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1示出了本发明实施例3D打印支撑结构的生成方法的第一流程示意图，图2示出了本发明实施例3D打印支撑结构的生成方法的第二流程示意图，实施例提供一种3D打印支撑结构的生成方法，包括以下步骤：

S1、使用Delaunay三角形剖分方法将支撑面重构为三角形网格；

S2、使用火烧法对所述三角形网格进行分类提取，生成单元集合；

S3、使用圆锥相交法对所述单元集合进行处理，生成支撑点重构支撑面。

步骤S1将支撑面用Delaunay三角形剖分方法将支撑面重构为三角形网格，步骤S2是将步骤S1中所有三角形网格、节点提取，步骤S3是将S2提取的三角形网格、节点利用圆锥相交法生成支撑点重构对应的支撑面。

在本发明的一个优选实施例中，步骤S1具体包括：输入支撑面的三维点坐标至系统，将三维点坐标映射到平面上得到二维点坐标，使用Delaunay三角形剖分方法以二维点坐标为单元节点进行三角形网格划分，将三角形网格节点替换支撑面的三维点坐标，生成支撑面的三角形网格，如图3所示。

在本发明的一个优选实施例中，步骤S2使用火烧法处理三角形网格，步骤S2具体包括如下步骤：

S201、在三角形网格中任意选取一个三角形网格，进行标记后加入第一输出三角形网格集合OT，并将其作为火烧点等待处理。如图3所示，选取单元1，将该单元1标记加入输出三角形集合OT，作为火烧点等待处理；

S202、如图3所示，将单元2～14标记后加入未被处理的单元集合U。

S203、如图3所示，选取集合U中第一个单元2作为新的火烧点，将单元2从集合U中删除后，提取与单元2共用节点且未被标记的邻接单元15～17标记，将单元15加入集合OT，将单元16、17加入未被处理的单元集合U。

S204、重复上述步骤S203，直至集合U为空。

在本发明的一个优选实施例中，步骤S2还包括以下步骤：

S205、将未加入集合OT的节点加入点集合P，遍历集合P中的节点，查找集合P中每个节点的所有邻接三角形网格与集合OT是否有共边三角形网格，将查找到的共边三角形网格与邻接三角形网格构造成为一个四边形单元并加入输出四边形集合OQ，此时最后输出为集合OT、集合P、集合OQ；若无共边三角形网格，则不进行处理，此时最后输出为集合OT、集合P、集合OQ，其中集合OQ为空集合。如图4所示，点A、B、C和D未加入集合OT，遍历集合P，点A、B和C邻接三角形网格与集合OT有共边三角形网格，如图5所示，即单元11和单元1、单元18和单元15、单元20和单元19分别构造成四边形加入集合OQ，点D无共边三角形网格，则不进行处理；此时最后输出为集合OT、集合P、集合OQ。

在本发明的一个优选实施例中，步骤S3使用圆锥相交法对所述单元集合进行处理，生成支撑点重构支撑面，步骤S3具体包括如下步骤：

S301、将集合OT、集合OQ中所包含单元中每个单元边的端点处竖直向下生成一个与Z轴夹角β的圆锥，若没有输入角度的话则默认β为预先设置的角度，本实施例为45°，每个单元边生成两个圆锥，取从Z轴向下两个圆锥的第一个交点并对其进行处理。如图6所示，取三角形网格(P₁、P₂、P₃)，如图7所示，三角形网格边P₁～P₂分别在端点P₁和P₂竖直向下生成一个与Z轴夹角β的圆锥，这两个圆锥从Z轴向下的第一个交点为P_n1，同理边P₁～P₃和P₂～P₃的圆锥交点分别为P_n2和P_n3，四边形单元同理。

S302、将步骤S301中所得到的交点做算术平均值运算，得到集合OT、集合OQ中的单元新的支撑点。如图8所示，三角形网格(P₁、P₂、P₃)生成的下一支撑点为点P_n。

S303、将所述第一点集合复制一份为第二点集合，查找所有新支撑点坐标中的最小Z坐标，用所述最小Z坐标替换所述第一输出三角形网格集合和所述第一输出四边形单元集合中各个单元新支撑点的Z坐标，同时替换第二点集合中点的Z坐标，得到最终支撑点集合P1。

在本发明的一个优选实施例中，还包括如下步骤：

S4、对步骤S3重构的支撑面，重复步骤S1～S3，重复次数为N，N≥1。可以根据具体情况将重复次数为N设为：层数layer。

在本发明的一个优选实施例中，还包括如下步骤：

S5、将集合OT、集合OQ、集合P与集合P1之间的坐标分别匹配，重构支撑结构的枝干，并将所述枝干数据以矩阵形式存储并输出。如图9Ⅰ所示，三角形网格(Q₁、Q₂、Q₃)，点Q₄为集合P1的坐标，线段Q₁ Q₄、Q₂ Q₄、Q₃ Q₄为匹配后重构支撑结构的三个枝干，用3×2的矩阵来存储节点索引，同理如图9Ⅱ所示，四边形单元(M₁、M₂、M₃、M₄)，点M₅为集合P1的坐标，线段M₁M₅、M₂ M₅、M₃M₅、M₄ M₅为匹配后重构支撑结构的四个枝干，用4×2的矩阵来存储节点索引，同理如图9Ⅲ所示，点N₁为集合P中的点，点N₂为集合P1的坐标，线段N₁ N₂为匹配后重构支撑结构的一个枝干，用1×2矩阵来存储节点索引，将每一层的全部枝干合并为一个n×2的矩阵输出，再将所有的节点坐标合并为一个m×3的矩阵输出。

在本发明的一个优选实施例中，还包括如下步骤：

S6、对生成的所述重构支撑结构进行桁架优化。所述重构支撑结构的枝干作为桁架单元，以力的平衡方程和枝干支撑力的上下限约束。

枝干的数目为N个，其横截面形状均为圆形，圆截面面积为a＝[a₁,a₂,...,a_N]^T优化模型如下所示：

s.t.B^Tn＝f；

σ_ca_i≤n_i≤σ_Ta_i(i＝1,2,...,N)；

其中，V表示枝干的体积总和；a表示截面面积向量、l表示枝干长度向量；T表示矩阵的转置运算；s.t.表示约束条件；矩阵B^T是基于枝干方向余弦值建立的节点平衡矩阵是一个变量；n是由枝干内力构成的向量；f表示外力向量；σ_c和σ_T分别表示应力的上限值和下限值；a_i是a的分量。

本发明所提供的3D打印支撑结构的生成方法，可以节省加工材料及加工时间，还可以减少支撑结构与工件的接触面积，有利于后期快速分离。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种3D打印支撑结构的生成方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、使用Delaunay三角形剖分方法将支撑面重构为三角形网格；

S2、使用火烧法对所述三角形网格进行分类提取，生成单元集合；

S3、使用圆锥相交法对所述单元集合进行处理，生成支撑点重构支撑面。

2.根据权利要求1所述的3D打印支撑结构的生成方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：

输入支撑面的三维点坐标至系统，将所述三维点坐标映射到平面上得到二维点坐标，使用Delaunay三角形剖分方法以所述二维点坐标为单元节点进行三角形网格划分，将所述三角形网格的坐标替换所述支撑面的三维点坐标，生成所述支撑面的三角形网格。

3.根据权利要求1所述的3D打印支撑结构的生成方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：

S201、任意选取一个三角形网格，标记后加入第一输出三角形网格集合，并将其作为火烧点等待处理；

S202、将与所述火烧点共用节点且未被标记的邻接三角形网格标记后加入未被处理的单元集合；

S203、选取所述未被处理的单元集合中的第一个三角形网格作为新的火烧点，提取与所述新火烧点共用节点的且未被标记的邻接单元后并将所述邻单元全部标记，将所述邻接单元中的第一个邻接单元加入到所述第一输出三角形网格集合后从所述邻接单元中删除，将剩余的邻接单元加入未被处理的单元集合；

S204、重复上述步骤S203，直至未被处理的单元集合为空。

4.根据权利要求3所述的3D打印支撑结构的生成方法，其特征在于，所述步骤S2还包括以下步骤：

S205、将未加入第一输出三角形网格集合的节点加入第一点集合，遍历第一点集合中的所有节点，查找所述第一点集合中每个节点的所有邻接三角形网格与第一输出三角形网格的共边三角形网格，将查找到的所述共边三角形网格与所述邻接三角形网格构造成为一个四边形单元并加入第一输出四边形单元集合，此时输出为所述第一输出三角形网格集合、所述第一点集合、所述第一输出四边形单元集合；若无所述共边三角形网格，则不进行处理，输出为所述第一输出三角形网格集合、所述第一点集合、所述第一输出四边形单元集合，其中所述第一输出四边形单元集合为空集合。

5.根据权利要求4所述的3D打印支撑结构的生成方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括如下步骤：

S301、将所述第一输出三角形网格集合、所述第一输出四边形单元集合中每个单元边的端点处竖直向下生成一个与Z轴有夹角的圆锥，没有输入角度则默认所述夹角为预先设定的角度，每个单元边生成两个圆锥，取从Z轴向下两个圆锥的第一个交点坐标；

S302、按照步骤S301中处理所得到的交点坐标做算术平均值运算，得到所述第一输出三角形网格集合、所述第一输出四边形单元集合中各个单元的新支撑点坐标；

S303、将所述第一点集合复制一份为第二点集合，查找所有新支撑点坐标中的最小Z坐标，用所述最小Z坐标替换所述第一输出三角形网格集合、所述第一输出四边形单元集合中各个单元新支撑点的Z坐标以及第二点集合中点的Z坐标，得到最终支撑点集合。

6.根据权利要求5所述的3D打印支撑结构的生成方法，其特征在于，还包括如下步骤：

S4、对步骤S3重构的支撑面，重复步骤S1～S3，重复次数为N，N≥1。

7.根据权利要求6所述的3D打印支撑结构的生成方法，其特征在于，还包括如下步骤：

S5、将所述第一输出三角形网格集合、所述第一输出四边形单元集合、所述第一点集合与所述最终支撑点集合之间的坐标分别匹配，重构支撑结构的枝干，并将所述枝干数据以矩阵形式存储并输出。

8.根据权利要求7所述的3D打印支撑结构的生成方法，其特征在于，还包括如下步骤：

S6、对所述重构的支撑结构进行桁架优化。

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