CN113478833A - 一种基于骨架线轮廓识别与区域分割的3d打印成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于3D打印相关技术领域，并公开了一种基于骨架线轮廓识别与区域分割的3D打印成形方法。该方法包括下列步骤：S1计算每个切片层成形轮廓内的骨架线；S2分别计算求取主骨架线的长度，每条骨架线端点处的直径，相邻两条骨架线之间的偏转角，以及成形轮廓中相邻两条边之间的偏转角；S3将成形轮廓内的区域类型分为直方区、平滑区、过渡平缓区、平滑薄壁区和毛糙区，利用步骤S2中计算获得的多个参数值建立区域划分标准，成形轮廓内的区域进行划分；S4规划每个区域的成形路径进行3D打印成形。通过本发明，解决复杂轮廓零件的轮廓识别与分割的问题，提供一种高效的鲁棒性强的复杂路径规划方法。

Description

一种基于骨架线轮廓识别与区域分割的3D打印成形方法

技术领域

本发明属于3D打印相关技术领域，更具体地，涉及一种基于骨架线轮廓识别与区域分割的3D打印成形方法。

背景技术

3D打印是增材制造技术的俗称，它与传统的材料“去除型”加工方法截然相反，是一种增材的制造方式。通常采用逐层制造的方式打印待加工三维实体模型的制造方法。其关键技术之一便是路径规划技术，同一模型，不同的路径规划具有完全不同的打印效果。传统的路径如光栅路径、Z字形路径、轮廓偏置路径、螺旋路径、中轴转化路径等针对特定模型具有良好的效果，然而在打印复杂模型时存在较多问题：光栅路径和Z字形路径在打印曲线轮廓、薄壁等轮廓时存在较多拐点，其台阶效应明显而且容易造成热应力集中，使得零件的打印效果较差；进行全局轮廓偏置路径规划与螺旋路径的计算复杂度较高而且有时候存在某些歧义区域，并且轮廓偏置路径不适合于薄壁区与毛糙区域(轮廓转折较为频繁的区域)；中轴转化路径适用的区域更是有限。因此上述路径规划在面对当今复杂轮廓的填充时存在较多缺陷。

针对复杂轮廓的路径规划，本领域人员提出了一些解决方法，即通过识别出一些轮廓特征，在特定区域采用特定的路径规划方式，用混合路径对不同区域进行填充，既提高了制造效率又能保证打印质量。例如文献《面向熔融沉积成型3D打印的高效路径规划研究与实现》设计了基于曲线轮廓线识别的分区填充算法，根据曲线轮廓线角度及弧度的特点，对曲线轮廓线进行识别；用四边形对多边形进行区分，分为含曲线区域和不含曲线区域；含曲线区域采用直角填充算法，不含曲线区域采用直骨架螺旋偏置填充算法。对于含曲线的简单多边形，该方法可以消除大量短线段以此提高打印效率及切片效率。然而该区域分割技术采用四边形进行分割，适用性太小，对诸如薄壁区、毛糙区都无法识别；而且轮廓的角度及弧度特征具有的信息太少，对复杂轮廓的识别误差很大，具有不稳定性，此外该方法对不同区域的填充也过于单一，无法满足对复杂轮廓的识别与分割，相应地，本领域存在着发展一种高效的、鲁棒性较强的适用于当前增材制造对于复杂路径规划技术需求的方法。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于骨架线轮廓识别与区域分割的3D打印成形方法，解决复杂轮廓零件的轮廓识别与分割的问题，提供一种高效的鲁棒性强的复杂路径规划方法。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种基于骨架线轮廓识别与区域分割的3D打印成形方法，该方法包括下列步骤：

S1获取待成形零件的切片层以及每个切片层中的成形轮廓，计算获得每个切片层成形轮廓内的骨架线，以此获得每个成形轮廓内的所有骨架线；

S2分别计算求取所有骨架线中主骨架线的长度L，每条骨架线端点处的直径d，相邻两条骨架线之间的偏转角θ，以及成形轮廓中相邻两条边之间的偏转角Φ；

S3将成形轮廓内的区域类型分为直方区、平滑区、过渡平缓区、平滑薄壁区和毛糙区，利用步骤S2中计算获得的多个参数值建立区域类型划分标准，利用该划分标准将所述每个切片层内的成形轮廓划分为相应类型的区域，以此实现对成形轮廓区域的划分；

S4根据成形轮廓中区域的类型规划每个区域的成形路径，根据每个区域的成形路径分别对每个区域进行加工，以此实现待成形零件的3D打印成形。

进一步优选地，在步骤S3中，所述区域划分标准按照下列方式进行：

判断所述端点处的直径d与λ倍喷头直径D之间的关系，按照下列两种方式之一进行处理：

(1)当d>λD时，判断主骨架线的长度L与n倍的喷头直径D的关系，以及主骨架两端端点处的直径d1与d2之间的关系，如下：

当L>nD且d1＝d2时，该区域为直方区，其中，n为大于λ的整数；

否则，判断每条骨架线端点的处直径d与m倍的喷头直径D之间的关系，m为大于λ的整数且m<n，当d>mD时，为平滑区；否则，判断成形轮廓中相邻两条边之间的偏转角Φ与预设轮廓偏转角阈值Φmax之间的关系，当Φ>Φmax时，为过渡平缓区，否则，为平滑区；

(2)当d<＝λD时，判断所述相邻两条骨架线之间的偏转角θ与预设骨架线偏转角阈值θmax之间的关系，当θ<＝θmax时，该区域为平滑薄壁区，否则为毛糙区。

进一步优选地，在步骤S4中，所述每个区域的成形路径按照下列方式进行：

对于所述薄壁区，将主骨架作为单道填充路径；

对于所述直方区，采用Z字形路径进行填充；

对于所述平滑区，将成形轮廓进行偏置，以此获得填充路径；

对于所述过渡平缓区，将该区域的中轴线进行偏置，以此获得其填充路径；

对于所述毛糙区，采用自适应填充。

进一步优选地，在步骤S2中，所述端点处的直径是在该端点到所述成形轮廓的最短距离。

进一步优选地，在步骤S2中，所述端点处的直径按照下列方式求取：建立以该端点为圆心的圆，递增该圆的圆心，当该圆中第一次出现成形轮廓线时，该圆的半径就是所需的端点处的直径。

进一步优选地，在步骤S1中，所述骨架线采用Voronoi图算法计算获得。

进一步优选地，在步骤S2中，所述相邻两条骨架线之间的偏转角θ为相邻两条骨架线夹角的补角。

进一步优选地，在步骤S2中，所述成形轮廓中相邻两条边之间的偏转角Φ为相邻两条边夹角的补角。

进一步优选地，在步骤S2中，所述主骨架线是指该骨架线的两个端点均不在切片层所述成形轮廓线上的骨架线。

进一步优选地，在步骤S4中，在规划每个区域的成形路径时，需要将每个区域封闭形成封闭的区域，然后对该封闭的区域规划成形路径。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具备下列有益效果：

1.本发明中将成形轮廓内的区域划分为直方区、平滑区、过渡平缓区、平滑薄壁区和毛糙区五个类型，其根据区域的特征划分的区域类型多，尤其适用于复杂轮廓零件，其满足复杂轮廓零件对区域识别和分割的需求，有效地为后续规划填充路径做准备，按照这种方式规划的填充路径成形精度高；

2.本发明通过计算每条骨架线段的长度、端点处的直径、相邻两条骨架线之间的偏转角d以及切片轮廓某点处的偏转角φ，其中，骨架线直径d确定喷头在此区域的路径间距，主骨架线长度L确定某区域的直方特性，切片轮廓偏转角φ确定切片轮廓的曲率及拐点，骨架线偏转角θ确定某区域光顺性，利用上述四个量之间的大小关系，识别出不同区域，并且在不同区域处采用不同的路径规划方式，选取这些参数进行识别可以对不同区域进行唯一确定，因此选取以上参数作为轮廓识别的参数具备唯一性和完备性；如薄壁区采用以主骨架线作为路径的单道路径规划、宽阔的普通区采用Z字形路径规划、平滑区采用轮廓路径规划、过渡平缓区采用中轴转化路径规划、毛糙区域采用自适应路径规划等，达到因“区”制宜的效果；

3.本发明中将与传统单一的路径规划策略相比，利用该方法生成的打印路径具有较多的优势：1)分别适用于薄壁区、光滑区、毛糙区的单道路径规划、轮廓路径规划、自适应路径规划根据切片轮廓特征进行规划，既保证了其表面质量，减少了台阶效应，又使其空走行程大大减少，提高加工效率；如对薄壁区的传统路径规划并未识别骨架线，采用默认的光栅路径或Z字形路径，拐点较多，台阶效应明显，还容易造成热应力集中。若采用单道路径规划则无此缺点；2)适用于普通区的Z字形路径规划既满足此区域的打印质量，而且打印效率也很高；

4.本发明中在识别出各个区域后，对同一零件的不同区域进行路径规划时可以采用不同的参数，如薄壁区的力学性能更差，因此需要采用更优的参数，使其力学性能更佳；再者，在不同的区域赋予路径不同的材料信息，可以实现零件的多材料打印等；总之，此发明使得3D打印路径规划有了更多的选择空间。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的基于骨架线轮廓识别与区域分割的3D打印成形方法的流程图；

图2是按照本发明的优选实施例所构建的待加工零件三维模型结构示意图；

图3是按照本发明的优选实施例所构建的单个切片层的切片轮廓；

图4是按照本发明的优选实施例所构建的基于Voronoi图获得的成形轮廓的骨架线示意图；

图5是按照本发明的优选实施例所构建的基于骨架线的轮廓识别示意图；

图6是按照本发明的优选实施例所构建的区域分割示意图；

图7是按照本发明的优选实施例所构建的分割的结果示意图；

图8是按照本发明的优选实施例所构建的对不同区域采用不同路径填充的路径规划示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明提供了一种基于骨架线的轮廓识别与区域分割方法，该方法包括以下步骤：

(a)构建待制造零件的三维模型；

如图2所示，第一步构建零件的三维模型，使用UG等三维建模软件建立零件1的三维模型，然后导出3D打印常用数据格式STL格式的模型文件。

(b)对所述三维模型进行分层，获得各层的切片；

如图3所示，利用切片软件(如magics)进行切片，得到某层的切片轮廓。

(c)利用Voronoi图算法获得某层待处理切片的骨架线；

采用Voronoi图算法计算该切片轮廓的骨架线，如图4中黑色细实线即为其骨架线。

(d)求取每条骨架线段的长度以及端点处的直径，接着求取相邻两条骨架线之间的偏转角，将上述三个信息分别存到每个骨架线段的端点处；接着求取原轮廓某个点相邻两条边之间的偏转角，将其值存到该点处，上述信息作为判断依据；

针对该实例，求取方法是：(1)骨架线的长度即为两个端点间的距离；(2)端点处的直径为该端点与切片轮廓的最小距离，求法是：建立以该端点为中心的圆，递增该圆的直径，当圆中第一次出现轮廓线段时，计算线段与该端点之间的直线距离即为该端点的直径d；(3)两条骨架线之间偏转角的计算方法是：找到两条共该端点的骨架线L1和L2，该端点为P，L1的另一个端点为P1，L2的另一个端点为P2，则∠P1PP2关于P1P的延长线的补角即为偏转角；(4)原轮廓某个点相邻两条边之间的偏转角与上述(3)的求法相同。

(e)通过骨架线段端点处的直径d与喷头直径D的关系对各区域进行识别。当骨架线段端点处的直径d与喷头直径D相近时，若骨架线偏转角θ较小，则该区域为平滑薄壁区；若骨架线偏转角θ较大时，则该区域为毛糙区。当直径d与喷头直径D相差较大时，采用步骤(f)；

(f)若主骨架线段的长度较大且骨架线端点处的直径相同时，此区域是宽阔的直方区。否则，若端点处直径d较大，则此区域为平滑区。若端点处直径d较小，此时判断切片轮廓处偏转角φ大小，若偏转角φ较大，则此区域是过渡平缓区，否则亦属于平滑区；

针对该实例，当骨架线端点处的直径d≤λD时，分为以下两张种情况：D是喷头的直径，在本实施例中，λ取值为2。

(1)当偏转角较小时，即：

d≤2D andθ≤θmax

其中θ为骨架线端点处两条骨架线之间的偏转角，θmax为偏转角的最大值，一般取15°，则此区域为平滑薄壁区。如图5中①区域所示；

(2)当偏转角较大时，即：

d≤2D andθ﹥θmax

则此区域为毛糙区。如图5中②区域所示；

当d>2D时，属于厚壁区，分为以下几种情况：

若主骨架线段的长度较大，且两端直径相等，即满足

(L﹥nD)and(d1＝d2)

其中，L为骨架线的长度；n为阈值，一般取10；d1，d2分别为主骨架线两端的直径。满足此条件的区域为直方区。如图5中③区域所示；

(2)若主骨架线段的长度较小，当直径d大于某阈值时，即满足：

(L≤nD)and(d>mD)

其中，m为某阈值，一般取5。满足此条件为平滑区。如图5中⑤区域所示；

(3)若主骨架线的长度较小且直径d小于某阈值时，需要判断切片轮廓偏转角φ大小，若φ大于某阈值时，即：

(L≤nD)and(2D<d≤mD)and(φ>φmax)

则此区域为过渡平缓区。如图5中④区域。否则，当φ小于等于某阈值时，此区域亦属于平滑区，如图5中⑤区域所示。

(g)区域识别完成后，遍历一次切片轮廓多边形，根据骨架线所在区域完成分割，形成一系列带有不同参数(如填充路径、填充参数)的闭环，之后便可以对不同的区域采用不同的路径规划之；

针对本实例，遍历该切片轮廓多边形上的点，先用上述方法确定第一个点是哪个区域，假设图6中左上角是第一个点，将该点存入该区域数组并继续遍历，若下一点也符合该区域，则存入；当出现其他区域的骨架线则进入递归，将该结束点与下一递归点都进行记录，方便后续查找，然后将新区域中与切片轮廓多边形共同的点存入新数组；每次出现新的区域就进入递归，并识别该区域，当某区域结束则退出递归并存储该区域；遍历完成后，即可将各区域分割完成，如图6和7所示。

具体的填充方式为：薄壁区，由于主骨架线直径近似等于喷头的最大直径，直接将主骨架线作为单道填充路径，并且由于该区域较为脆弱，可以采用更好的参数和工艺进行填充；直方区，采用Z字形路径，提高填充的效率；平滑区，采用轮廓路径，提高表面质量；过渡平缓区，使用中轴转化路径进行填充，减少台阶效应与空洞的产生；毛糙区，由于此区域边界不断变化，为提高效率和打印质量，填充方式为自适应填充。示意的填充结果如图8所示。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于骨架线轮廓识别与区域分割的3D打印成形方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

S1获取待成形零件的切片层以及每个切片层中的成形轮廓，计算获得每个切片层成形轮廓内的骨架线，以此获得每个成形轮廓内的所有骨架线；

S2分别计算求取所有骨架线中主骨架线的长度L，每条骨架线端点处的直径d，相邻两条骨架线之间的偏转角θ，以及成形轮廓中相邻两条边之间的偏转角Φ；

S3将成形轮廓内的区域类型分为直方区、平滑区、过渡平缓区、平滑薄壁区和毛糙区，利用步骤S2中计算获得的多个参数值建立区域类型划分标准，利用该划分标准将所述每个切片层内的成形轮廓划分为相应类型的区域，以此实现对成形轮廓区域的划分；

S4根据成形轮廓中区域的类型规划每个区域的成形路径，根据每个区域的成形路径分别对每个区域进行加工，以此实现待成形零件的3D打印成形。

2.如权利要求1所述的一种基于骨架线轮廓识别与区域分割的3D打印成形方法，其特征在于，在步骤S3中，所述区域划分标准按照下列方式进行：

判断所述端点处的直径d与λ倍喷头直径D之间的关系，按照下列两种方式之一进行处理：

(1)当d>λD时，判断主骨架线的长度L与n倍的喷头直径D的关系，以及主骨架两端端点处的直径d1与d2之间的关系，如下：

当L>nD且d1＝d2时，该区域为直方区，其中，n为大于λ的整数；

否则，判断每条骨架线端点的处直径d与m倍的喷头直径D之间的关系，m为大于λ的整数且m<n，当d>mD时，为平滑区；否则，判断成形轮廓中相邻两条边之间的偏转角Φ与预设轮廓偏转角阈值Φmax之间的关系，当Φ>Φmax时，为过渡平缓区，否则，为平滑区；

(2)当d<＝λD时，判断所述相邻两条骨架线之间的偏转角θ与预设骨架线偏转角阈值θmax之间的关系，当θ<＝θmax时，该区域为平滑薄壁区，否则为毛糙区。

3.如权利要求1或2所述的一种基于骨架线轮廓识别与区域分割的3D打印成形方法，其特征在于，在步骤S4中，所述每个区域的成形路径按照下列方式进行：

对于所述薄壁区，将主骨架作为单道填充路径；

对于所述直方区，采用Z字形路径进行填充；

对于所述平滑区，将成形轮廓进行偏置，以此获得填充路径；

对于所述过渡平缓区，将该区域的中轴线进行偏置，以此获得其填充路径；

对于所述毛糙区，采用自适应填充。

4.如权利要求1所述的一种基于骨架线轮廓识别与区域分割的3D打印成形方法，其特征在于，在步骤S2中，所述端点处的直径是在该端点到所述成形轮廓的最短距离。

5.如权利要求4所述的一种基于骨架线轮廓识别与区域分割的3D打印成形方法，其特征在于，在步骤S2中，所述端点处的直径按照下列方式求取：建立以该端点为圆心的圆，递增该圆的圆心，当该圆中第一次出现成形轮廓线时，该圆的半径就是所需的端点处的直径。

6.如权利要求1或2所述的一种基于骨架线轮廓识别与区域分割的3D打印成形方法，其特征在于，在步骤S1中，所述骨架线采用Voronoi图算法计算获得。

7.如权利要求1或2所述的一种基于骨架线轮廓识别与区域分割的3D打印成形方法，其特征在于，在步骤S2中，所述相邻两条骨架线之间的偏转角θ为相邻两条骨架线夹角的补角。

8.如权利要求1或2所述的一种基于骨架线轮廓识别与区域分割的3D打印成形方法，其特征在于，在步骤S2中，所述成形轮廓中相邻两条边之间的偏转角Φ为相邻两条边夹角的补角。

9.如权利要求1或2所述的一种基于骨架线轮廓识别与区域分割的3D打印成形方法，其特征在于，在步骤S2中，所述主骨架线是指该骨架线的两个端点均不在切片层所述成形轮廓线上的骨架线。

10.如权利要求1或2所述的一种基于骨架线轮廓识别与区域分割的3D打印成形方法，其特征在于，在步骤S4中，在规划每个区域的成形路径时，需要将每个区域封闭形成封闭的区域，然后对该封闭的区域规划成形路径。

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