CN113459241A - Xza旋转轴3d打印机的镂空陶瓷3d打印方法和控制系统 - Google Patents

Xza旋转轴3d打印机的镂空陶瓷3d打印方法和控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种XZA旋转轴3D打印机的镂空陶瓷3D打印方法和控制系统，确定纹理、纹理密度及相关打印信息；根据纹理密度，在二维平面内进行路径规划，初步生成二维平面内的路径点集a；读取基础形状信息，并将基础形状参数化到根据纹理密度确定的矩形区域内，将路径点集a映射到XYZ空间，获得XYZ空间的路径点集b；将路径点集b映射到XZA空间，获得XZA空间的路径点集c；根据路径点集c，确定可打印的G‑code文件，并输出以进行打印。本发明实现连续路径的镂空陶瓷3D打印，能够降低粘土本身重力以及粘土干燥速度慢带来的影响，提高3D打印镂空陶瓷的成功率和质量。

Description

XZA旋转轴3D打印机的镂空陶瓷3D打印方法和控制系统
技术领域
本发明属于3D打印技术领域，具体涉及一种XZA旋转轴3D打印机的镂空陶瓷3D打印方法和控制系统。
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。
镂空是陶瓷器的传统装饰技法之一，是指在陶坯体上透雕花纹。就镂空陶瓷而言，据历史记载，镂空陶瓷到现在已经有了千年历史。距今五千年前的新石器时代晚期陶器已有透雕圆孔为饰，山东大汶口出土的薄胎黑陶把杯，把柄上就有多种镂空纹饰；汉代到魏晋时期的各式陶瓷香薰都有透雕纹饰；宋以后镂空装饰日益发展；清乾隆(1736-1795)时烧成镂空转心、转颈及镂空套瓶等作品，使这类工艺达到顶峰。镂空陶瓷具有极强的装饰性，被广大群众所喜爱，市场上随处可见的镂空陶瓷灯，从台灯、壁灯、吸顶灯、落地灯、卧室灯、赏瓶等款式齐全，已经成为中式装饰风格必选陶器。镂空陶瓷与一般陶瓷制品相比，制作工艺要复杂的多。
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。然而在使用陶泥打印镂空设计的时候，由于粘土本身的重力以及粘土较慢的干燥速度，制造过程中会发生坍塌，造成打印的失败；即使是添加支撑减少了塌陷的发生，但打印支撑一则会增加打印时间，二则支撑的拆除是一件很麻烦的事情，甚至会影响打印成品的质量；还有很重要的一点，陶瓷3D打印中，打印路径的不连续性会影响喷嘴的开闭，从而影响打印质量和精度，而XYZ空间的逐层打印镂空结构很难保证路径的连续。这对镂空陶瓷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XZA旋转轴3D打印机的镂空陶瓷3D打印方法和控制系统，本发明利用已有的XZA旋转轴打印机，通过巧妙控制，实现镂空陶瓷3D打印，能够降低粘土本身重力以及粘土干燥速度慢带来的影响，提高3D打印镂空陶瓷的成功率；对打印路径进行合理的规划，保证打印路径的连续，提高打印成品的质量；提高打印速度，减少打印时间，与此同时节省打印材料。
根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：
一种XZA旋转轴3D打印机的镂空陶瓷3D打印方法，包括以下步骤：
确定纹理、纹理密度及相关打印信息；
根据纹理密度，在二维平面内进行路径规划，初步生成二维平面内的路径点集a；
读取基础形状信息，并将基础形状参数化到根据纹理密度确定的矩形区域内，将路径点集a映射到XYZ空间，获得XYZ空间的路径点集b；
将路径点集b映射到XZA空间，获得XZA空间的路径点集c；
根据路径点集c，确定可打印的G-code文件，并输出以进行打印。
作为可选择的实施方式，选择需要的纹理并指定该纹理密度及相关打印信息的具体过程包括：
获取用户选择需要的纹理；
获取用户指定纹理在水平和垂直方向的密度；
获取用户指定的打印的层厚以及打印层数信息。
作为可选择的实施方式，根据纹理密度，在二维平面内进行路径规划的具体过程包括：
对所确定的纹理进行采样处理；
根据密度度信息，进行路径规划，路径按照“zigzag”的原则进行规划。
作为可选择的实施方式，所述基础形状符合以下条件：
(1)作为输入的基础形状为一个旋转体；
(2)旋转体侧面的凹陷或凸出高度小于打印喷头的高度；
(3)旋转体侧面的凹陷间的距离大于打印喷头的宽度，确保打印喷头可以充分接触到基础形状的侧表面；
(4)旋转体侧面曲线与水平方向的夹角小于设定值。
作为可选择的实施方式，所述矩形区域为根据纹理密度所密铺出来的矩形区域。
作为可选择的实施方式，将路径点集b映射到XZA空间，获得XZA空间的路径点集c的具体过程包括：
通过仿射变换将基础形状移动至旋转轴与Z轴重合且底面旋转轴中心与XYZ空间的坐标原点重合；
通过仿射变换将基础形状旋转至旋转轴与X轴重合且基础物体位于X轴的正方向处；
以点到旋转轴的直线距离记为XZA空间下的Z值，以点逆时针旋转到打印喷头处所需的角度为XZA空间下的A值；以点在X轴方向垂直距离的绝对值为XZA空间下的X值。
作为可选择的实施方式，确定可打印的G-code文件时，所述确定可打印的G-code文件中为相对坐标，即下一坐标位置相对于当前位置各个坐标(X、Z、A)及挤出量E的变化情况，X、Z的正值表示向该坐标所在的正方向移动的距离，负值则相反；A的正值表示电机正转的角度，负值则表示电机反转的角度。
一种XZA旋转轴3D打印机的镂空陶瓷3D打印控制系统，包括：
初始参数获取模块，被配置为确定纹理、纹理密度及相关打印信息；
路径规划模块，被配置为根据纹理密度，在二维平面内进行路径规划，初步生成二维平面内的路径点集a；
映射模块，被配置为读取基础形状信息，并将基础形状参数化到根据纹理密度确定的矩形区域内，将路径点集a映射到XYZ空间，获得XYZ空间的路径点集b；将路径点集b映射到XZA空间，获得XZA空间的路径点集c；
打印文件确定模块，被配置为根据路径点集c，确定可打印的G-code文件，并输出以进行打印。
一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成上述方法中的步骤。
一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成上述方法中的步骤。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明借助打印空间的变换，降低粘土本身重力以及粘土干燥速度慢带来的影响，提高3D打印镂空陶瓷的成功率，巧妙地解决了3D打印镂空陶瓷所遇到的坍塌和支撑问题，极大地提高了制造成功率。
(2)本发明对打印路径进行合理的规划，保证了打印路径的连续性，从而大大提高了模型的打印质量。
(3)本发明由于省去了支撑部分的打印与拆除，与传统打印技术相比，提高打印速度，减少打印时间，与此同时节省打印材料。
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为本实施例的流程图；
图2为用户选择的输入纹理；
图3为对输入纹理进行四部分的划分以及采样的结果图；
图4为对选择纹理密铺后的二维平面的结果图以及交叉路径的展示；
图5为二维平面内进行路径规划其中一层的路径顺序；
图6为不满足打印条件的基础形状中的关于高度的示意图；
图7为不满足打印条件的基础形状中的关于宽度的示意图；
图8为不满足打印条件的基础形状侧面曲率的示意图；
图9为基础形状的底面截图，展示了XZA空间中点Z与A的初始值；
图10为打印结果图。
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。
如图1所示，一种基于XZA旋转轴3D打印机的镂空陶瓷3D打印方法和系统，其实现流程如下：
步骤(1)：选择需要的纹理并指定该纹理密度及相关打印信息。
步骤(2)：二维平面内进行路径规划，初步生成二维平面内的路径点集a。
步骤(3)：读入基础形状信息，并将基础形状参数化到指定的矩形区域内。
步骤(4)：将路径点集a映射到XYZ空间，获得XYZ空间的路径点集b。
步骤(5)：将路径点集b映射到XZA空间，获得XZA空间的路径点集c。
步骤(6)：输出可打印的G-code文件，以进行打印。
在此，为了方便理解，首先对打印设备，即XZA旋转轴3D打印机进行一下简单的介绍。XZA旋转轴3D打印机，通过将旋转轴A轴沿系统X轴对齐，然后将打印喷嘴直接定位在该轴上；Y轴和Z轴与一般的XYZ空间保持一致。其中Y轴和Z轴均以毫米(mm)为单位，A轴则以度(°)为单位。A轴的取值范围是[0,360]。
在本实施例中，所述步骤(1)中具体包括以下步骤：
步骤(1-1)：用户选择需要的纹理，以图2所示纹理为例。
步骤(1-2)：用户指定纹理在水平和垂直方向的密度，这里说的密度指的是单位纹理图案在水平和垂直方向的数量。
在本实施例中，以图2输入为例，图4所示为根据输入密度密铺的二维结果图，其中水平方向密度为8，垂直方向密度为6。
步骤(1-3)：用户指定打印的层厚以及打印层数信息。
所述步骤(2)中具体包括以下步骤：
步骤(2-1)：对步骤(1-1)所选的纹理进行采样处理，如图3所示；
步骤(2-2)：并根据步骤(1-2)输入的密度信息，进行路径规划，路径参照“zigzag”的原则进行规划。
在本实施例中，如图5所示，所标注的序号展示了各个点经过的顺序，即图4所示的纹理需要两层方能完整呈现，这么做除了保证路径连续这一条件外，另外一个重要原因便是保证打印质量，两层的处理比一层能更好的保证路径相交处的打印质量。其中6与7、10与11、14与15、18与19、22与23、26与27六对点应一一对应六个点。
所述步骤(3)中基础物体应满足以下几个约束条件：
作为输入的基础形状应为一个旋转体。
旋转体侧面的凹陷或凸出高度不应该大于打印喷头的高度，否则基础形状会与打印机的横梁发生碰撞或剐蹭且部分表面不能接触到打印头，如图6所示。
旋转体侧面的凹陷间的距离不应该小于打印喷头的宽度，确保打印喷头可以充分接触到基础物体的侧表面，如图7所示。
旋转体侧面曲线与水平方向的夹角不宜过大，如图8所示，否则打印机的喷头不能与旋转体表面充分接触，从而影响打印的质量。
所述步骤(3)中提出的“指定的矩形区域”为步骤(1)中根据用户输入的密度所密铺出来的矩形区域，即图4虚线所示的矩形区域。
所述步骤(4)实际是进行了一次二维空间中的点向三维空间中点一一映射的操作，是参数化的一个逆过程，该过程可能会造成输入纹理的形变。
所述步骤(5)中具体包括以下步骤：
步骤(5-1)：通过仿射变换将基础形状移动至旋转轴与Z轴重合且底面旋转轴中心与XYZ空间的坐标原点重合。
步骤(5-2)：通过仿射变换将基础物体旋转至旋转轴与X轴重合且基础物体位于X轴的正方向处。
步骤(5-2)：在上一步骤的前提下，以图9作为辅助说明，以点到旋转轴的直线距离记为XZA空间下的Z值(图中的d值)；以点逆时针旋转到打印喷头处所需的角度为XZA空间下的A值(图中的θ值)；以点在X轴方向垂直距离的绝对值为XZA空间下的X值。
所述步骤(6)中有以下几个注意事项：
该G-code文件采用G91命令下的相对坐标，即下一坐标位置相对于当前位置各个坐标(X、Z、A)及挤出量E的变化情况。
相对坐标情况下，每条G-code语句的E均应该保持正值，X、Z、A则可正可负。X、Z的正值表示向该坐标所在的正方向移动的距离，负值则相反；A的正值表示电机正转的角度，负值则表示电机反转的角度。
其中A的取值应作特殊处理，即若A值大于180，则将该值减去360；若小于-180，则将该值加上360；若等于180则无需做特殊处理；最终使旋转变化量的绝对值控制在180及以内。
如图10所示，利用本实施例提供的方法，可以打印出镂空图案，巧妙地解决了3D打印镂空陶瓷所遇到的坍塌和支撑问题。
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，本领域技术人员不需要付出创造性劳动所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种XZA旋转轴3D打印机的镂空陶瓷3D打印方法，其特征是：包括以下步骤：
确定纹理、纹理密度及相关打印信息；
根据纹理密度，在二维平面内进行路径规划，初步生成二维平面内的路径点集a；
读取基础形状信息，并将基础形状参数化到根据纹理密度确定的矩形区域内，将路径点集a映射到XYZ空间，获得XYZ空间的路径点集b；
将路径点集b映射到XZA空间，获得XZA空间的路径点集c；
根据路径点集c，确定可打印的G-code文件，并输出以进行打印。
2.如权利要求1所述的一种XZA旋转轴3D打印机的镂空陶瓷3D打印方法，其特征是：选择需要的纹理并指定该纹理密度及相关打印信息的具体过程包括：
获取用户选择需要的纹理；
获取用户指定纹理在水平和垂直方向的密度；
获取用户指定的打印的层厚以及打印层数信息。
3.如权利要求1所述的一种XZA旋转轴3D打印机的镂空陶瓷3D打印方法，其特征是：根据纹理密度，在二维平面内进行路径规划的具体过程包括：
对所确定的纹理进行采样处理；
根据密度度信息，进行路径规划，路径按照“zigzag”的原则进行规划。
4.如权利要求1所述的一种XZA旋转轴3D打印机的镂空陶瓷3D打印方法，其特征是：所述基础形状符合以下条件：
(1)作为输入的基础形状为一个旋转体；
(2)旋转体侧面的凹陷或凸出高度小于打印喷头的高度；
(3)旋转体侧面的凹陷间的距离大于打印喷头的宽度，确保打印喷头可以充分接触到基础形状的侧表面；
(4)旋转体侧面曲线与水平方向的夹角小于设定值。
5.如权利要求1所述的一种XZA旋转轴3D打印机的镂空陶瓷3D打印方法，其特征是：所述矩形区域为根据纹理密度所密铺出来的矩形区域。
6.如权利要求1所述的一种XZA旋转轴3D打印机的镂空陶瓷3D打印方法，其特征是：将路径点集b映射到XZA空间，获得XZA空间的路径点集c的具体过程包括：
通过仿射变换将基础形状移动至旋转轴与Z轴重合且底面旋转轴中心与XYZ空间的坐标原点重合；
通过仿射变换将基础形状旋转至旋转轴与X轴重合且基础物体位于X轴的正方向处；
以点到旋转轴的直线距离记为XZA空间下的Z值，以点逆时针旋转到打印喷头处所需的角度为XZA空间下的A值；以点在X轴方向垂直距离的绝对值为XZA空间下的X值。
7.如权利要求1所述的一种XZA旋转轴3D打印机的镂空陶瓷3D打印方法，其特征是：确定可打印的G-code文件时，所述确定可打印的G-code文件中为相对坐标，即下一坐标位置相对于当前位置各个坐标(X、Z、A)及挤出量E的变化情况，X、Z的正值表示向该坐标所在的正方向移动的距离，负值则相反；A的正值表示电机正转的角度，负值则表示电机反转的角度。
8.一种XZA旋转轴3D打印机的镂空陶瓷3D打印控制系统，其特征是：包括：
初始参数获取模块，被配置为确定纹理、纹理密度及相关打印信息；
路径规划模块，被配置为根据纹理密度，在二维平面内进行路径规划，初步生成二维平面内的路径点集a；
映射模块，被配置为读取基础形状信息，并将基础形状参数化到根据纹理密度确定的矩形区域内，将路径点集a映射到XYZ空间，获得XYZ空间的路径点集b；将路径点集b映射到XZA空间，获得XZA空间的路径点集c；
打印文件确定模块，被配置为根据路径点集c，确定可打印的G-code文件，并输出以进行打印。
9.一种计算机可读存储介质，其特征是：用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成权利要求1-7中任一项所述的方法中的步骤。
10.一种电子设备，其特征是：包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成权利要求1-7中任一项所述的方法中的步骤。
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