CN113619121A - 三维物体打印方法、数据处理装置、计算机设备 - Google Patents

三维物体打印方法、数据处理装置、计算机设备 Download PDF

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吕如松
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万文春
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Abstract

三维物体打印方法、数据处理装置、计算机设备。本申请提供三维物体打印方法及装置、计算机设备，其中，方法包括获取待打印三维物体的三维数字模型的第一数据，第一数据包括形状数据；根据形状数据获得待打印三维物体的几何特征信息，其中，几何特征信息包括待打印三维物体中的表面的角度、棱线的尖锐度和顶点的尖锐度的至少一种；根据几何特征信息确定用于支撑三维物体的支撑部的第二数据，第二数据包括支撑部的延伸宽度；根据三维数字模型的第一数据及支撑部的第二数据生成打印数据，并基于打印数据进行打印，得到包括延伸的支撑部的三维物体。本申请实施例提供的三维物体打印方法，使得支撑部能够支撑三维物体的实体部，避免三维物体因自身几何特征而发生变形，提高三维物体的成型精度。

Description

三维物体打印方法、数据处理装置、计算机设备
技术领域
本申请涉及三维物体成型技术领域，尤其涉及三维物体打印方法、数据处理装置、计算机设备。
背景技术
在三维打印过程中，物体由打印材料逐层堆积固化而成。针对工件模型上的某些结构，如内部孔洞、悬臂梁等，如果不添加支撑部，这些结构将在打印过程中坍塌，甚至一开始便无法打印成形。而打印完成后，通常需要将支撑部去除，因此为了获得表面重量较好的工件，同时节省打印材料及时间，提高经济效益，三维打印中模型支撑应尽量减少。
但是，支撑部减少使用会导致需要支撑的实体部的支撑力不够，使得实体部发生变形，导致成型的三维物体的形状不同于三维数字模型，即打印的产品不能满足预设要求。例如，喷射在每层边缘的部分材料滴可能会错过当前层的边缘并落到打印平台表面或沿三维物体的垂直表面向下滑动并堆积。或者，由于打印材料滴的表面张力特性，使得打印的三维物体的顶点和棱线处可能略微变形，不能体现设计的尖锐度。因此，在适当减少支撑材料浪费的情况下，有必要对支撑部的打印方法进行优化，使得支撑部能够支撑三维物体的实体部，提高三维物体的成型精度。
发明内容
本申请实施例提供三维物体打印方法及装置、存储介质、计算机设备，可以使得支撑部能够支撑三维物体的实体部，避免三维物体因自身几何特征而发生变形，提高三维物体的成型精度。
第一方面，本申请提供一种三维物体打印方法，所述方法包括：
获取待打印三维物体的三维数字模型的第一数据，所述第一数据包括形状数据；
根据所述形状数据获得所述待打印三维物体的几何特征信息，其中，所述几何特征信息包括所述待打印三维物体中的表面的角度、棱线的尖锐度和顶点的尖锐度的至少一种；
根据所述几何特征信息确定用于支撑三维物体的支撑部的第二数据，所述第二数据包括所述支撑部的延伸宽度；
根据所述三维数字模型的第一数据及所述支撑部的第二数据生成打印数据，并基于所述打印数据进行打印，得到包括延伸的支撑部的三维物体。
结合第一方面，在一种可行的实施方式中，根据所述形状数据获得所述待打印三维物体中的表面的角度，包括：
根据所述形状数据获取所述待打印三维物体中的表面的法向量；
根据所述表面的法向量确定所述表面与水平面的角度，并基于所述角度确定所述表面是否为垂直表面；
且所述根据所述几何特征信息确定用于支撑三维物体的支撑部的第二数据，包括：
当所述表面为垂直表面时，确定在所述垂直表面设置支撑部，并确定所述支撑部的延伸宽度为预设宽度。
结合第一方面，在一种可行的实施方式中，所述根据所述形状数据获得所述待打印三维物体中的棱线的尖锐度，包括：
根据所述形状数据确定所述待打印三维物体的两个表面共享的棱线；
根据所述形状数据获取所述两个表面的法向量，并根据所述两个表面的法向量确定所述棱线的尖锐度；
且所述根据所述几何特征信息确定用于支撑三维物体的支撑部的第二数据，包括：
根据所述棱线的尖锐度确定用于支撑所述棱线的支撑部的延伸宽度。
结合第一方面，在一种可行的实施方式中，所述根据所述形状数据获得所述待打印三维物体中的顶点的尖锐度，包括：
根据所述形状数据确定所述待打印三维物体的多条棱线共享的顶点；
根据所述形状数据获取所述多条棱线的尖锐度，并根据所述多条棱线的尖锐度的平均值确定所述顶点的尖锐度；
且所述根据所述几何特征信息确定用于支撑三维物体的支撑部的第二数据，包括：
根据所述顶点的尖锐度确定用于支撑所述顶点的支撑部的延伸宽度。
结合第一方面，在一种可行的实施方式中，所述第一数据还包括待打印三维物体的体积数据和打印材料数据。
结合第一方面，在一种可行的实施方式中，所述方法还包括：
根据所述待打印三维物体的体积数据和打印材料数据得到所述待打印三维物体的重量信息；
基于所述待打印三维物体的重量信息确定所述支撑部的支撑强度。
结合第一方面，在一种可行的实施方式中，所述基于所述待打印三维物体的重量信息确定所述支撑部的支撑强度，包括：
基于所述待打印三维物体的重量信息确定用于形成所述支撑部的支撑材料；或
基于所述待打印三维物体的重量信息确定用于形成所述支撑部的打印材料，所述打印材料包括支撑材料、实体材料以及所述支撑材料与所述实体材料的质量配比。
结合第一方面，在一种可行的实施方式中，所述第二数据包括所述支撑部的支撑强度。
第二方面，本申请实施例提供一种数据处理装置，所述数据处理装置包括：
第一获取单元，用于获取待打印三维物体的三维数字模型的第一数据，所述第一数据包括形状数据；
第二获取单元，用于根据所述形状数据获得所述待打印三维物体的几何特征信息，其中，所述几何特征信息包括所述待打印三维物体中的表面的角度、棱线的尖锐度和顶点的尖锐度的至少一种；
支撑确认单元，用于根据所述几何特征信息确定用于支撑三维物体的支撑部的第二数据，所述第二数据包括所述支撑部的延伸宽度。
结合第二方面，在一种可行的实施方式中，所述第二获取单元，还用于根据所述形状数据获取所述待打印三维物体中的表面的法向量；根据所述表面的法向量确定所述表面与水平面的角度，并基于所述角度确定所述表面是否为垂直表面；
所述支撑确认单元，还用于当所述表面为垂直表面时，在所述垂直表面设置支撑部，并确定所述支撑部的延伸宽度为预设宽度。
结合第二方面，在一种可行的实施方式中，所述第二获取单元，还用于根据所述形状数据确定所述待打印三维物体的两个表面共享的棱线；根据所述形状数据获取所述两个表面的法向量，并根据所述两个表面的法向量确定所述棱线的尖锐度；
所述支撑确认单元，还用于根据所述棱线的尖锐度确定用于支撑所述棱线的支撑部的延伸宽度。
结合第二方面，在一种可行的实施方式中，所述第二获取单元，还用于根据所述形状数据确定所述待打印三维物体的多条棱线共享的顶点；根据所述形状数据获取所述多条棱线的尖锐度，并根据所述多条棱线的尖锐度的平均值确定所述顶点的尖锐度；
所述支撑确认单元，还用于根据所述顶点的尖锐度确定用于支撑所述顶点的支撑部的延伸宽度。
结合第二方面，在一种可行的实施方式中，所述第一数据还包括待打印三维物体的体积数据和打印材料数据。
结合第二方面，在一种可行的实施方式中，所述装置还包括第三获取单元及支撑确认单元，
所述第三获取单元，用于根据所述待打印三维物体的体积数据和打印材料数据得到所述待打印三维物体的重量信息；
所述支撑确认单元，用于基于所述待打印三维物体的重量信息确定所述支撑部的支撑强度。
结合第二方面，在一种可行的实施方式中，所述支撑确认单元，还用于：
基于所述待打印三维物体的重量信息确定用于形成所述支撑部的支撑材料；或
基于所述待打印三维物体的重量信息确定用于形成所述支撑部的打印材料，所述打印材料包括支撑材料、实体材料以及所述支撑材料与所述实体材料的质量配比。
结合第二方面，在一种可行的实施方式中，所述第二数据包括所述支撑部的支撑强度。
第三方面，本申请实施例提供一种非暂时性计算机可读存储介质，所述存储介质包括存储的程序，在所述程序运行时控制所述存储介质所在设备执行上述的三维物体打印方法。
第四方面，本申请实施例提供一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的三维物体打印方法。
本申请的技术方案至少具有以下有益的效果：
本申请实施例提供的三维物体打印方法、数据处理装置、计算机设备，通过获取三维数字模型的形状数据，并根据形状数据得到待打印三维物体的几何特征信息，并通过几何特征信息来确定支撑部的延伸宽度，实现了对支撑部的打印优化，使得支撑部能够支撑三维物体，避免三维物体因自身的形状导致打印的三维物体的垂直面、顶点、棱线处发生变形，在去除支撑部后，可使得三维物体的垂直度和尖锐度得到保持，提高三维物体的成型精度。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本申请。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的三维打印系统的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的三维打印装置的结构示意图；
图3为本申请实施例提供的数据处理装置的结构示意图；
图4a为本申请实施例提供的三维数字模型及支撑部的结构示意图；
图4b为本申请实施例提供的三维数字模型及支撑部的另一结构示意图；
图5a-图5c分别为本申请实施例提供的三维数字模型中包括用于计算表面f的角度的形状数据；
图6为本申请实施例提供的三维数字模型中包括用于计算棱线e的尖锐度的形状数据；
图7为本申请实施例提供的三维数字模型中包括用于计算顶点v的尖锐度的形状数据；
图8为本申请实施例提供的数据处理装置的另一结构示意图；
图9为本申请实施例提供的三维数字模型及支撑部的示意图；
图10为本申请实施例提供的三维物体打印方法的流程示意图。
具体实施方式
为了更好的理解本申请的技术方案，下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。
应当明确，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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它实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其它含义。
应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
图1为本申请具体实施例提供的三维打印系统的结构示意图，如图1所示，三维打印系统包括数据处理装置10和三维打印装置20。
数据处理装置10，用于获取待打印三维物体的打印数据，并将待打印三维物体的打印数据输出至三维打印装置20。
三维打印装置20，用于基于预设的打印材料及所述打印数据进行打印，得到三维物体。
在一些实施例中，数据处理装置10可以集成在三维打印装置20上，作为三维打印装置20的一个模块。在其他实施例中，数据处理装置10和三维打印装置20也可以如图1所示通过网络30连接，例如数据处理装置10可以是计算机设备，例如可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。
三维打印装置20可以采用喷墨打印技术，更具体地，三维打印装置20可以采用喷墨紫外线固化型三维打印技术，也可以是喷墨热固化型三维打印技术，或者其它三维打印技术，例如可以是熔融沉积成型技术。
图2是本申请实施例提供的一种三维打印装置的结构示意图，如图2所示，三维打印装置20包括喷射机构21、打印平台22、校平机构23、固化机构24、移动机构和控制器。在本实施例中，打印装置20为喷墨紫外线固化型三维打印机。
喷射机构21，用于将打印材料喷射至打印平台22上，以形成材料层。喷射机构可以根据实际需要喷射不同颜色的打印材料，例如，一般的彩色打印装置通常会配置由C(青色)、M(品红色)、Y(黄色)三种颜色的彩色材料，有时还会配置有透明材料、白色材料或黑色材料等，本申请对此不作限制。
校平机构23，用于对未固化处理的材料层进行校平，以保证材料层的尺寸精度。
固化机构24，用于对材料层进行固化处理，以形成成型层。在一种实施方式中，固化机构24可以为光固化机构，具体地，光固化机构可以是紫外光固化机构。在其他实施方式中，固化机构也可以是热固化机构。
移动机构，用于移动喷射机构21和/或打印平台22，以使得喷射机构能够将打印材料喷射至打印平台22上。
控制器，用于控制喷射机构、打印平台、校平机构及移动机构。
具体地，在打印过程中，控制器基于打印数据控制移动机构在水平方向上移动喷射机构21和/或打印平台22，并控制喷射机构21喷射打印材料到打印平台22上形成材料层，并控制校平机构23对还未固化的材料层进行校平，以保证材料层的尺寸精度，控制固化机构24对材料层进行固化以形成成型层。控制器控制移动机构在竖直方向上移动，并控制所述喷射机构21和/或打印平台22重复上述步骤以形成多个层层叠加的成型层直至打印完成，得到三维物体。
可以理解地，三维物体的形状一般是不规则的，可能会存在需要支撑的部件，例如悬臂结构。因此，喷射机构21还用于喷射用于形成支撑部的打印材料，支撑部用于在打印过程中给三维物体提供支撑，支撑部在三维物体打印完成后被去除以获得最终的三维物体。
在三维打印过程中，支撑部减少使用会导致需要支撑的实体部的支撑力不够，使得实体部发生变形，导致成型的三维物体的形状不同于三维数字模型，即打印的产品不能满足预设要求。因此，有必要对支撑部的打印方法进行优化，使得支撑部能够支撑三维物体。
图3为本申请实施例提供的数据处理装置的结构示意图，如图3所示，在本申请实施例一中，数据处理装置10包括第一获取单元101、第二获取单元102及支撑确认单元103。
第一获取单元101，用于获取待打印三维物体的三维数字模型的第一数据11，所述第一数据包括形状数据111；
第二获取单元102，用于根据所述形状数据111获得所述待打印三维物体的几何特征信息12，其中，所述几何特征信息包括所述待打印三维物体中的表面的角度、棱线的尖锐度和顶点的尖锐度的至少一种；
支撑确认单元103，用于根据所述几何特征信息12确定用于支撑三维物体的支撑部的第二数据13，所述第二数据包括所述支撑部的延伸宽度。
在上述方案中，通过获取三维数字模型的形状数据，并根据形状数据得到待打印三维物体的几何特征信息，并通过几何特征信息来确定支撑部的延伸宽度，实现了对支撑部的打印优化，使得支撑部能够支撑三维物体，避免三维物体因自身的形状导致打印的三维物体的垂直面、顶点、棱线处发生变形，在去除支撑部后，可使得三维物体的垂直度和尖锐度得到保持，提高三维物体的成型精度。
其中，三维数字模型的第一数据11可以从存储单元中获取，或者可以从诸如USB存储器的便携式存储介质中读取，或者可以从通过网络连接的服务器下载三维数字模型的第一数据11，或者可以通过三维应用程序来创建三维数字模型的第一数据11。例如，三维应用程序可以是被调用的软件“三维CAD”或“3D建模”等软件。由三维应用程序输出的三维数字模型的数据的格式可以是STL，但不限于此。可以使用的其它示例性数据格式包括例如3MF、PLY或OBJ等。当然获取的第一数据11包括形状数据外，还可以包括体积数据、颜色数据、打印材料数据或其他类型等的数据，在此不做限定。
支撑部可以通过多种方式来帮助改善三维物体的外观和/或防止在构建各种三维物体时可能出现的问题。例如，打印的三维物体的垂直表面可能比非垂直表面的打印效果更差，喷射在每层边缘的部分打印材料滴可能会错过当前层的边缘并落到打印平台表面，或沿三维物体的垂直表面向下滑动并堆积。或者，例如，由于打印材料滴的表面张力特性，部分构建的三维物体顶部的边缘可能略微变圆。或者，例如，打印的三维物体的顶点和棱线处可能略微变形，不能体现设计的尖锐度。
在本实施方式中，数据处理装置10通过基于几何特征信息12来设置支撑部，可以实现对支撑部的打印优化，确认支撑部的延伸宽度，使得支撑部能够支撑三维物体，避免三维物体因自身几何特征而发生局部变形。
具体地，第二获取单元102，用于根据所述形状数据111获取所述待打印三维物体中的表面的法向量；根据所述表面的法向量确定所述表面与水平面的角度，并基于所述角度确定所述表面是否为垂直表面。
进一步地，支撑确认单元103，用于当所述表面为垂直表面时，在所述垂直表面设置支撑部，并确定所述支撑部的延伸宽度为预设宽度。
如图4a所示，当确认待打印三维物体30表面与水平面的角度为90度时，即该表面是垂直表面时，可以在垂直表面的侧面添加支撑部31，确认支撑部31的延伸宽度。在打印该支撑部31时，喷射在每层边缘的打印材料滴会堆积在支撑部最外侧的表面上，而不是堆积在三维物体本身的侧面上，可以防止打印材料滴向下流动而在三维物体的表面产生波浪，可以保证三维物体的表面的精准度。其中，支撑部31的延伸宽度可以为根据打印材料滴的尺寸、粘性等因素进行调整，在一些实施例中，延伸宽度可以是预设宽度。
如图5a至5c所示，表面f由三维数字模型的形状数据定义，例如STL数据，需要说明的是，STL数据是一种三维面片型的数据文件格式，其基本原理是采用小三角形面片去编辑三维实体的自由曲面来描述几何信息，形状数据可以包括法向量数据。三维数字模型的表面可以是平面或曲面，其中，三维数字模型的平面的法向量是垂直于该平面的三维向量。三维数字模型的曲面在某点处的法向量为垂直于该点的切平面的三维向量。需要说明的是，曲面法向量的法向不具有唯一性，在相反方向的法向量也是曲面法向量。曲面在三维数字模型的边界内可以分区出内向法向量与外向法向量，有助于定义出法向量唯一方法。定向曲面的法向量通常按照右手定则来确定。可以理解的是，本实施例中所述表面的角度指的是所述表面与水平面(XY平面)的角度。
如图5a所示，当三维数字模型的表面f的法向量的方向朝斜上方时，可以确认该表面与水平面(XY平面)呈锐角。如图5b所示，当三维数字模型的表面f的法向量与水平面(XY平面)平行时，可以确认该表面与XY平面垂直。如图5c所示，当三维数字模型的表面f的法向量的方向朝斜下方时，可以确认该表面与水平面(XY平面)呈钝角。
现有技术中，当表面与水平面呈锐角或垂直时，认为该表面不需要设置支撑部；当表面与水平面呈钝角时，认为该表面需要设置支撑部，并通过该支撑部支撑该表面。但是，打印的三维物体的垂直表面可能比非垂直表面打印效果差，因为喷射在每层边缘的部分打印材料滴可能会错过当前层的边缘并落到打印平台表面或沿三维物体的垂直表面向下滑动并堆积，从而使得垂直表面容易形变。
在本实施例中，当所述表面为垂直表面时，在所述垂直表面设置支撑部，并确定所述支撑部的延伸宽度为预设宽度。即当表面与水平面垂直时，在该垂直表面的一侧设置支撑部，并设置该支撑部的宽度，由此，喷射在每层边缘的部分打印材料滴落到打印平台或沿支撑部的外侧面向下滑动并堆积，而不会沿三维物体的垂直表面向下滑动，可以防止打印材料滴向下流动使得三维物体的表面产生波浪，避免三维物体的表面形变。
进一步地，所述第二获取单元102，还用于根据所述形状数据确定所述待打印三维物体的两个表面共享的棱线，根据所述形状数据获取所述两个表面的法向量，并根据所述两个表面的法向量确定所述棱线的尖锐度。
所述支撑确认单元103，还用于根据所述棱线的尖锐度确定用于支撑所述棱线的支撑部的延伸宽度。
需要说明的是，尖锐度越大，支撑部的延伸宽度越大。
如图6所示，当待打印三维物体具有尖锐的棱线时，可以对用于支撑该棱线的支撑部进行加宽，确定支撑部的延伸宽度。通过增加支撑部的延伸宽度，可以增强支撑部对三维物体的支撑，减少三维物体中的一些棱线变形成为圆角，进一步减少由该棱线构成的顶点的变形。具体地，棱线的尖锐度越大，支撑部的延伸宽度越大。
在具体实施例中，如图6所示，棱线e、第一表面f0和第二表面f1均能够根据三维数字模型的形状数据获取，棱线e为第一表面f0和第二表面f1的棱线。棱线e的尖锐度f(e)被定义为第一表面f0的长度为1的法向量
Figure BDA0003228429910000091
与第二表面f1的长度为1的法向量
Figure BDA0003228429910000092
的内积。棱线e的尖锐度f(e)如下式(I)所述，
Figure BDA0003228429910000093
其中，f(e)的取值范围为-1至1，f(e)的数值越小，棱线e越尖锐。
进一步地，所述第二获取单元102，还用于根据所述形状数据确定所述待打印三维物体的多条棱线共享的顶点，根据所述形状数据获取所述多条棱线的尖锐度，并根据所述多条棱线的尖锐度的平均值确定所述顶点的尖锐度。
所述支撑确认单元103，还用于根据所述顶点的尖锐度确定用于支撑所述顶点的支撑部的延伸宽度。
如图7所示，当待打印三维物体具有尖锐的顶点时，可以对用于支撑该顶点的支撑部进行加宽，确定支撑部的延伸宽度。通过增加支撑部的延伸宽度，可以增强支撑部对三维物体的顶点的支撑，减少三维物体中的尖锐的顶点变形成为弧形面或圆角等。具体地，顶点的尖锐度越大，支撑部的延伸宽度越大。
在具体实施例中，如图7所示，顶点v是n条棱线e共享的顶点。其中，顶点v的尖锐度g(v)确定为n条棱线e的尖锐度f(e)的平均值。顶点v的尖锐度g(v)如下式(II)所述，
Figure BDA0003228429910000094
其中，n为棱线的数量。
可以理解地，棱线e的尖锐度f(e)的数值越小，棱线e越尖锐；顶点v的尖锐度g(v)的数值越小，顶点v越尖锐。棱线e和顶点v越尖锐，则越容易在三维打印过程中发生变形。
为了避免三维物体因棱线和顶点的尖锐度而发生变形，根据棱线和顶点的尖锐度确认支撑部的延伸宽度。具体的，基于棱线e越尖锐，用于支撑棱线e的支撑部的延伸宽度越大；基于顶点v越尖锐，用于支撑顶点v的支撑部的延伸宽度越大。其中，棱线的尖锐度可以根据共享该棱线的表面的法向量通过式(I)计算得到。
进一步地，为了提高支撑部的支撑强度，避免三维物体由于自身重量发生变形，使得三维物体的形状符合三维数字模型，所述第一数据还包括待打印三维物体的体积数据和打印材料数据。如图8所示，所述装置还包括第三获取单元104，
第三获取单元104，用于根据所述待打印三维物体的体积数据112和所述打印材料数据113得到待打印三维物体的重量信息14；
支撑确认单元103，还用于基于所述待打印三维物体的重量信息14确定所述支撑部的支撑强度。
可以理解地，通过基于重量信息来调整支撑部的支撑强度，实现了对支撑部的打印优化，使得支撑部能够支撑三维物体，避免三维物体因自身重量发生变形。
如图9所示，待打印三维物体中需要支撑的部件81由虚线区域表示，支撑部82由灰色区域表示。待打印三维物体的体积数据112包括需要支撑的部件81的体积数据，也可以包括整个待打印三维物体80的体积。打印材料数据113包括采用的打印材料和打印材料的比重。打印材料可以是由用户指定的，因此，可以识别指定打印材料对应的唯一比重。
待打印三维物体的重量可以是需要支撑的部件81的体积与所用的打印材料的比重的乘积，或者也可以是需要支撑的实体部的重量以及支撑部的重量的总和。
基于所述待打印三维物体的重量信息14确定支撑部82的支持强度。可以理解地，在需要支撑的部件81重量较大的情况下，用于支撑实体部的支撑部82的支撑强度较高；在需要支撑的部件81重量较小的情况下，用于支撑实体部的支撑部82的支撑强度较低。
在一种实施方式中，所述支撑确认单元103，还用于：
基于所述待打印三维物体的重量信息14确定用于形成所述支撑部的支撑材料。可以理解地，直接通过选择适合形成支撑部的支撑材料，以使得打印形成的支撑部82能够支撑部件81。
在另一种实施方式中，所述支撑确认单元103，还用于：
基于所述待打印三维物体的重量信息14确定用于形成所述支撑部的打印材料，所述打印材料包括支撑材料、实体材料以及所述支撑材料与所述实体材料的质量配比。
可以理解地，支撑部82可以在同一个三维物体的打印过程中，一部分以具有高支撑强度的打印材料打印形成，另一部分以具有低支撑强度的打印材料打印形成。因此，支撑部82可以对三维物体的不同部件81提供不同的支撑强度，由此可以提高三维物体的成型质量。
具体地，还可以令邻近需要支撑的部件81的部分支撑部82的强度低，使得容易将支撑部82从需要支撑的部件81上移除。令非邻近需要支撑的部件81的部分支撑部82的支撑强度较高，使得支撑部82可以充分地支撑需要支撑的部件81。应该指出的是，支撑部82可以通过人工剥离移除，或者可以通过使用化学品或水来溶解移除，或者可以通过加热等熔化移除。
具体的，可以通过调整支撑材料与实体材料的质量配比，来确定形成不同支撑强度的支撑部所需的打印材料。为了能够便于在打印完成后移除用于支撑的支撑部，用于支撑的支撑材料通常具有较低的拉伸强度、较低的抗撕裂强度，并且在固化后具有较低的邵氏硬度。
在支撑结构中加入实体材料，可以增强支撑部的强度。通过采用支撑材料与实体材料的不同比例进行打印支撑部，可以实现支撑部的不同强度。在需要支撑的部件重量较大的情况下，用于形成支撑部的打印材料中含有的实体材料的质量占比较高，使得支撑部的强度较高；在需要支撑的部件重量较小的情况下，用于形成支撑部的打印材料中含有的实体材料的质量占比较低，使得支撑部的强度较低。
其中，可以通过支撑材料层和实体材料层间隔打印来实现支撑材料和实体材料共同形成支撑部；或者，可以在同一层中打印支撑材料区域和实体材料区域；或者，可以在同个体素点中打印支撑材料滴和实体材料滴。具体的，用于形成支撑部的打印材料中的实体材料的质量占比可以从0到99％。
可选的，用于形成支撑部的打印材料可以全由支撑材料形成，不包含实体材料，即实体材料的比例为0％，因此形成的支撑部的强度最低。
在另一种实施方式中，用于形成支撑部的打印材料中的实体材料的质量占比为0.1％至2％，因此形成的支撑部可以实现轻型支撑作用。优选的，用于形成支撑部的打印材料中的实体材料的质量占比为1％，这种情况下，形成的支撑部的强度高于纯支撑材料打印形成的支撑部，但支撑部的支撑强度一般。
在又一种实施方式中，用于形成支撑部的打印材料中的实体材料的质量占比为5％至10％，因此形成的支撑部可以实现重型支撑作用。优选的，用于形成支撑部的打印材料中的实体材料的质量占比为8％，这种情况下，形成的支撑部的强度高于上述具有轻型支撑作用的支撑部。
图9为本申请实施例提供的三维物体打印方法的流程示意图，如图9所示，打印方法包括以下步骤：
步骤S10，获取待打印三维物体的三维数字模型的第一数据，所述第一数据包括形状数据；
步骤S20，根据所述形状数据获得待打印三维物体的几何特征信息，其中，几何特征信息包括待打印三维物体中的表面的角度、棱线的尖锐度和顶点的尖锐度的至少一种；
步骤S30，根据所述几何特征信息确定用于支撑三维物体的支撑部的第二数据，第二数据包括所述支撑部的延伸宽度；
步骤S40，根据所述三维数字模型的第一数据及所述支撑部的第二数据生成打印数据，并基于所述打印数据进行打印，得到包括延伸的支撑部的三维物体。
在上述方案中，通过获取三维数字模型的形状数据，并根据形状数据得到待打印三维物体的几何特征信息，并通过几何特征信息来确定支撑部的延伸宽度，实现了对支撑部的打印优化，使得支撑部能够支撑三维物体，避免三维物体因自身的形状，使得打印的三维物体的顶点、棱线处发生变形，在去除支撑部后，可使得三维物体的尖锐度得到保持，提高三维物体的成型精度。
其中，三维数字模型的第一数据可以从存储单元中获取，或者可以从诸如USB存储器的便携式存储介质中读取，或者可以从通过网络连接的服务器下载三维数字模型的第一数据11，或者可以通过三维应用程序来创建三维数字模型的第一数据11。例如，三维应用程序可以是被调用的软件“三维CAD”或“3D建模”等软件。由三维应用程序输出的三维数字模型的数据的格式可以是STL，但不限于此。可以使用的其它示例性数据格式包括例如3MF、PLY或OBJ等。当然获取的第一数据包括形状数据外，还可以包括体积数据、颜色数据、打印材料数据或其他类型等的数据，在此不做限定。
具体地，根据所述形状数据获得所述待打印三维物体中的表面的角度，包括：
根据所述形状数据获取所述待打印三维物体中的表面的法向量；
根据所述表面的法向量确定所述表面与水平面的角度，并基于所述角度确定所述表面是否为垂直表面。
进一步地，步骤S30，具体包括：
当所述表面为垂直表面时，在所述垂直表面设置支撑部，并确定所述支撑部的延伸宽度为预设宽度。
如图4a或图4b所示，当确认待打印三维物体30表面与水平面的角度为90度时，即该表面是垂直表面时，可以在垂直表面的侧面添加支撑部31，确认支撑部31的延伸宽度。在打印该支撑部31时，喷射在每层边缘的打印材料滴会堆积在支撑部最外侧的表面上，而不是堆积在三维物体本身的侧面上，可以防止打印材料滴向下流动而在三维物体的表面产生波浪，可以保证三维物体的表面的精准度。其中，支撑部31的延伸宽度可以为根据打印材料滴的尺寸、粘性等因素进行调整，在一些实施例中，延伸宽度可以是预设宽度。
如图5a至5c所示，表面f由三维数字模型的形状数据定义，例如STL数据，需要说明的是，STL数据是一种三维面片型的数据文件格式，其基本原理是采用小三角形面片去编辑三维实体的自由曲面来描述几何信息，形状数据可以包括法向量数据。三维数字模型的表面可以是平面或曲面，其中，三维数字模型的平面的法向量是垂直于该平面的三维向量。三维数字模型的曲面在某点处的法向量为垂直于该点的切平面的三维向量。需要说明的是，曲面法向量的法向不具有唯一性，在相反方向的法向量也是曲面法向量。曲面在三维数字模型的边界内可以分区出内向法向量与外向法向量，有助于定义出法向量唯一方法。定向曲面的法向量通常按照右手定则来确定。可以理解的是，本实施例中所述表面的角度指的是所述表面与水平面(XY平面)的角度。
如图5a所示，当三维数字模型的表面f的法向量的方向朝斜上方时，可以确认该表面与水平面(XY平面)呈锐角。如图5b所示，当三维数字模型的表面f的法向量与水平面(XY平面)平行时，可以确认该表面与XY平面垂直。如图5c所示，当三维数字模型的表面f的法向量的方向朝斜下方时，可以确认该表面与水平面(XY平面)呈钝角。
现有技术中，当表面与水平面呈锐角或垂直时，认为该表面不需要设置支撑部；当表面与水平面呈钝角时，认为该表面需要设置支撑部，并通过该支撑部支撑该表面。但是，打印的三维物体的垂直表面可能比非垂直表面打印效果差，因为喷射在每层边缘的部分打印材料滴可能会错过当前层的边缘并落到打印平台表面或沿三维物体的垂直表面向下滑动并堆积，从而使得垂直表面容易形变。
在本实施例中，当所述表面为垂直表面时，在所述垂直表面设置支撑部，并确定所述支撑部的延伸宽度为预设宽度。即当表面与水平面垂直时，在该垂直表面的一侧设置支撑部，并设置该支撑部的宽度，由此，喷射在每层边缘的部分打印材料滴落到打印平台或沿支撑部的外侧面向下滑动并堆积，而不会沿三维物体的垂直表面向下滑动，可以防止打印材料滴向下流动使得三维物体的表面产生波浪，避免三维物体的表面形变。
在一种实施方式中，根据所述形状数据获得所述待打印三维物体中的棱线的尖锐度，包括：
根据所述形状数据确定所述待打印三维物体的两个表面共享的棱线，根据所述形状数据获取所述两个表面的法向量，并根据所述两个表面的法向量确定所述棱线的尖锐度。
进一步地，步骤S30，具体包括：
根据所述棱线的尖锐度确定用于支撑所述棱线的支撑部的延伸宽度。
需要说明的是，尖锐度越大，支撑部的延伸宽度越大。
如图6所示，当待打印三维物体具有尖锐的棱线时，可以对用于支撑该棱线的支撑部进行加宽，确定支撑部的延伸宽度。通过增加支撑部的延伸宽度，可以增强支撑部对三维物体的支撑，减少三维物体中的一些棱线变形成为圆角，进一步减少由该棱线构成的顶点的变形。具体地，棱线的尖锐度越大，支撑部的延伸宽度越大。
在具体实施例中，如图6所示，棱线e、第一表面f0和第二表面f1均能够根据三维数字模型的形状数据获取，棱线e为第一表面f0和第二表面f1的棱线。棱线e的尖锐度f(e)被定义为第一表面f0的长度为1的法向量
Figure BDA0003228429910000141
与第二表面f1的长度为1的法向量
Figure BDA0003228429910000142
的内积。棱线e的尖锐度f(e)如下式(I)所述，
Figure BDA0003228429910000143
其中，f(e)的取值范围为-1至1，f(e)的数值越小，棱线e越尖锐。
进一步地，根据所述形状数据获得所述待打印三维物体中的顶点的尖锐度，包括：
根据所述形状数据确定所述待打印三维物体的多条棱线共享的顶点，根据所述形状数据获取所述多条棱线的尖锐度，并根据所述多条棱线的尖锐度的平均值确定所述顶点的尖锐度。
相对应地，步骤S30，具体包括：根据所述顶点的尖锐度确定用于支撑所述顶点的支撑部的延伸宽度。
如图7所示，当待打印三维物体具有尖锐的顶点时，可以对用于支撑该顶点的支撑部进行加宽，确定支撑部的延伸宽度。通过增加支撑部的延伸宽度，可以增强支撑部对三维物体的顶点的支撑，减少三维物体中的尖锐的顶点变形成为弧形面或圆角等。具体地，顶点的尖锐度越大，支撑部的延伸宽度越大。
在具体实施例中，如图7所示，顶点v是n条棱线e共享的顶点。其中，顶点v的尖锐度g(v)确定为n条棱线e的尖锐度f(e)的平均值。顶点v的尖锐度g(v)如下式(II)所述，
Figure BDA0003228429910000144
其中，n为棱线的数量。
可以理解地，棱线e的尖锐度f(e)的数值越小，棱线e越尖锐；顶点v的尖锐度g(v)的数值越小，顶点v越尖锐。棱线e和顶点v越尖锐，则越容易在三维打印过程中发生变形。
为了避免三维物体因棱线和顶点的尖锐度而发生变形，根据棱线和顶点的尖锐度确认支撑部的延伸宽度。具体的，基于棱线e越尖锐，用于支撑棱线e的支撑部的延伸宽度越大；基于顶点v越尖锐，用于支撑顶点v的支撑部的延伸宽度越大。其中，棱线的尖锐度可以根据共享该棱线的表面的法向量通过式(I)计算得到。
进一步地，为了提高支撑部的支撑强度，避免三维物体由于自身重量发生变形，使得三维物体的形状符合三维数字模型，所述第一数据还包括待打印三维物体的体积数据和打印材料数据。所述打印方法还包括：
根据所述待打印三维物体的体积数据和所述打印材料数据得到待打印三维物体的重量信息；
基于所述待打印三维物体的重量信息确定所述支撑部的支撑强度。
可以理解地，通过基于重量信息来调整支撑部的支撑强度，实现了对支撑部的打印优化，使得支撑部能够支撑三维物体，避免三维物体因自身重量发生变形。
如图9所示，待打印三维物体中需要支撑的部件81由虚线区域表示，支撑部82由灰色区域表示。待打印三维物体的体积数据112包括需要支撑的部件81的体积数据，也可以包括整个待打印三维物体80的体积。打印材料数据113包括采用的打印材料和打印材料的比重。打印材料可以是由用户指定的，因此，可以识别指定打印材料对应的唯一比重。
待打印三维物体的重量可以是需要支撑的部件81的体积与所用的打印材料的比重的乘积，或者也可以是需要支撑的实体部的重量以及支撑部的重量的总和。
基于所述待打印三维物体的重量信息确定支撑部82的支持强度。可以理解地，在需要支撑的部件81重量较大的情况下，用于支撑实体部的支撑部82的支撑强度较高；在需要支撑的部件81重量较小的情况下，用于支撑实体部的支撑部82的支撑强度较低。支撑部82可以在同一个三维物体的打印过程中，一部分以具有高支撑强度的支撑材料打印形成，另一部分以具有低支撑强度的支撑材料打印形成。因此，支撑部82可以对三维物体的不同部件81提供不同的支撑强度，由此可以提高三维物体的成型质量。
其中，还可以令邻近需要支撑的部件81的部分支撑部82的强度低，使得容易将支撑部82从需要支撑的部件81上移除。令非邻近需要支撑的部件81的部分支撑部82的强度较高，使得支撑部82可以充分地支撑需要支撑的部件81。应该指出的是，支撑部82可以通过人工剥离移除，或者可以通过使用化学品或水来溶解移除，或者可以通过加热等熔化移除。
具体的，可以通过调整支撑材料与实体材料的质量配比，来确定形成不同支撑强度的支撑部所需的打印材料。为了能够便于在打印完成后移除用于支撑的支撑部，用于支撑的支撑材料通常具有较低的拉伸强度、较低的抗撕裂强度，并且在固化后具有较低的邵氏硬度。
在支撑结构中加入实体材料，可以增强支撑部的强度。通过采用支撑材料与实体材料的不同比例进行打印支撑部，可以实现支撑部的不同强度。在需要支撑的部件重量较大的情况下，用于形成支撑部的打印材料中含有的实体材料的质量占比较高，使得支撑部的强度较高；在需要支撑的部件重量较小的情况下，用于形成支撑部的打印材料中含有的实体材料的质量占比较低，使得支撑部的强度较低。
其中，可以通过支撑材料层和实体材料层间隔打印来实现支撑材料和实体材料共同形成支撑部；或者，可以在同一层中打印支撑材料区域和实体材料区域；或者，可以在同个体素点中打印支撑材料滴和实体材料滴。具体的，用于形成支撑部的打印材料中的实体材料的质量占比可以从0到99％。
可选的，用于形成支撑部的打印材料可以全由支撑材料形成，不包含实体材料，即实体材料的比例为0％，因此形成的支撑部的强度最低。
在另一种实施方式中，用于形成支撑部的打印材料中的实体材料的质量占比为0.1％至2％，因此形成的支撑部可以实现轻型支撑作用。优选的，用于形成支撑部的打印材料中的实体材料的质量占比为1％，这种情况下，形成的支撑部的强度高于纯支撑材料打印形成的支撑部，但支撑部的支撑强度一般。
在又一种实施方式中，用于形成支撑部的打印材料中的实体材料的质量占比为5％至10％，因此形成的支撑部可以实现重型支撑作用。优选的，用于形成支撑部的打印材料中的实体材料的质量占比为8％，这种情况下，形成的支撑部的强度高于上述具有轻型支撑作用的支撑部。
本申请实施例还提供一种非暂时性计算机可读存储介质，所述存储介质包括存储的程序，在所述程序运行时控制所述存储介质所在设备执行上述的三维物体打印方法。
本申请实施例还提供一种计算机设备，该实施例的计算机设备包括：处理器、存储器以及存储在存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现实施例中的三维物体打印方法，为避免重复，此处不一一赘述。
计算机设备可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。计算机设备可包括，但不仅限于，处理器、存储器。本领域技术人员可以理解，计算机设备可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如计算机设备还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。
所称处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
存储器可以是计算机设备的内部存储单元，例如计算机设备的硬盘或内存。存储器也可以是计算机设备的外部存储设备，例如计算机设备上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，存储器还可以既包括计算机设备的内部存储单元也包括外部存储设备。存储器用于存储计算机程序以及计算机设备所需的其他程序和数据。存储器还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
以上仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。

Claims (18)

1.一种三维物体打印方法，其特征在于，所述方法包括：
获取待打印三维物体的三维数字模型的第一数据，所述第一数据包括形状数据；
根据所述形状数据获得所述待打印三维物体的几何特征信息，其中，所述几何特征信息包括所述待打印三维物体中的表面的角度、棱线的尖锐度和顶点的尖锐度的至少一种；
根据所述几何特征信息确定用于支撑三维物体的支撑部的第二数据，所述第二数据包括所述支撑部的延伸宽度；
根据所述三维数字模型的第一数据及所述支撑部的第二数据生成打印数据，并基于所述打印数据进行打印，得到包括延伸的支撑部的三维物体。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述形状数据获得所述待打印三维物体中的表面的角度，包括：
根据所述形状数据获取所述待打印三维物体中的表面的法向量；
根据所述表面的法向量确定所述表面与水平面的角度，并基于所述角度确定所述表面是否为垂直表面；
且所述根据所述几何特征信息确定用于支撑三维物体的支撑部的第二数据，包括：
当所述表面为垂直表面时，确定在所述垂直表面设置支撑部，并确定所述支撑部的延伸宽度为预设宽度。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述形状数据获得所述待打印三维物体中的棱线的尖锐度，包括：
根据所述形状数据确定所述待打印三维物体的两个表面共享的棱线；
根据所述形状数据获取所述两个表面的法向量，并根据所述两个表面的法向量确定所述棱线的尖锐度；
且所述根据所述几何特征信息确定用于支撑三维物体的支撑部的第二数据，包括：
根据所述棱线的尖锐度确定用于支撑所述棱线的支撑部的延伸宽度。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述形状数据获得所述待打印三维物体中的顶点的尖锐度，包括：
根据所述形状数据确定所述待打印三维物体的多条棱线共享的顶点；
根据所述形状数据获取所述多条棱线的尖锐度，并根据所述多条棱线的尖锐度的平均值确定所述顶点的尖锐度；
且所述根据所述几何特征信息确定用于支撑三维物体的支撑部的第二数据，包括：
根据所述顶点的尖锐度确定用于支撑所述顶点的支撑部的延伸宽度。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一数据还包括待打印三维物体的体积数据和打印材料数据。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据所述待打印三维物体的体积数据和打印材料数据得到所述待打印三维物体的重量信息；
基于所述待打印三维物体的重量信息确定所述支撑部的支撑强度。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述基于所述待打印三维物体的重量信息确定所述支撑部的支撑强度，包括：
基于所述待打印三维物体的重量信息确定用于形成所述支撑部的支撑材料；或
基于所述待打印三维物体的重量信息确定用于形成所述支撑部的打印材料，所述打印材料包括支撑材料、实体材料以及所述支撑材料与所述实体材料的质量配比。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述第二数据包括所述支撑部的支撑强度。
9.一种数据处理装置，其特征在于，所述数据处理装置包括：
第一获取单元，用于获取待打印三维物体的三维数字模型的第一数据，所述第一数据包括形状数据；
第二获取单元，用于根据所述形状数据获得所述待打印三维物体的几何特征信息，其中，所述几何特征信息包括所述待打印三维物体中的表面的角度、棱线的尖锐度和顶点的尖锐度的至少一种；
支撑确认单元，用于根据所述几何特征信息确定用于支撑三维物体的支撑部的第二数据，所述第二数据包括所述支撑部的延伸宽度。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，
所述第二获取单元，还用于根据所述形状数据获取所述待打印三维物体中的表面的法向量；根据所述表面的法向量确定所述表面与水平面的角度，并基于所述角度确定所述表面是否为垂直表面；
所述支撑确认单元，还用于当所述表面为垂直表面时，在所述垂直表面设置支撑部，并确定所述支撑部的延伸宽度为预设宽度。
11.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，
所述第二获取单元，还用于根据所述形状数据确定所述待打印三维物体的两个表面共享的棱线；根据所述形状数据获取所述两个表面的法向量，并根据所述两个表面的法向量确定所述棱线的尖锐度；
所述支撑确认单元，还用于根据所述棱线的尖锐度确定用于支撑所述棱线的支撑部的延伸宽度。
12.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，
所述第二获取单元，还用于根据所述形状数据确定所述待打印三维物体的多条棱线共享的顶点；根据所述形状数据获取所述多条棱线的尖锐度，并根据所述多条棱线的尖锐度的平均值确定所述顶点的尖锐度；
所述支撑确认单元，还用于根据所述顶点的尖锐度确定用于支撑所述顶点的支撑部的延伸宽度。
13.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述第一数据还包括待打印三维物体的体积数据和打印材料数据。
14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述装置还包括第三获取单元，
所述第三获取单元，用于根据所述待打印三维物体的体积数据和打印材料数据得到所述待打印三维物体的重量信息；
所述支撑确认单元，还用于基于所述待打印三维物体的重量信息确定所述支撑部的支撑强度。
15.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，所述支撑确认单元，还用于：
基于所述待打印三维物体的重量信息确定用于形成所述支撑部的支撑材料；或
基于所述待打印三维物体的重量信息确定用于形成所述支撑部的打印材料，所述打印材料包括支撑材料、实体材料以及所述支撑材料与所述实体材料的质量配比。
16.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，所述第二数据包括所述支撑部的支撑强度。
17.一种非暂时性计算机可读存储介质，其特征在于，所述存储介质包括存储的程序，在所述程序运行时控制所述存储介质所在设备执行权利要求1～8任意一项所述的三维物体打印方法。
18.一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1～8任意一项所述的三维物体打印方法。
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