CN114206617B - 确定用于控制打印工具的工具路径的方法 - Google Patents

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Abstract

一种确定用于控制打印工具的工具路径的方法，包括接收包含指示要形成的三维结构的数据的输入文件的步骤(401)。在步骤(404)，结构被划分成多个构建层，构建层在构建方向上分离，并且每个层相对于构建方向横向延伸。每个层包括定义层与三维结构的外表面的相交的外部轮廓。步骤(405)定义填充三维结构的工具路径，其中该路径包括在完全填充至少一个较低构建层之前，沿着构建方向部分填充一个或更多个较高构建层。在步骤(406)，生成打印工具控制算法，该算法包括用于控制打印工具沿着工具路径移动以形成三维结构的一系列控制命令。

Description

确定用于控制打印工具的工具路径的方法
技术领域
本发明涉及增材制造，并且尤其涉及确定用于在增材制造过程中控制打印工具的工具路径并随后基于该工具路径在增材制造过程中控制打印工具的方法。
虽然本文将特别参考该应用来描述一些实施例，但是应当理解，本发明不限于这样的使用领域，而是可应用于更广泛的环境中。
发明背景
在增材制造(也称为“3D打印”)过程中，打印机构(称为“工具”)被计算机控制以在3D空间中遵循预定义路径(称为“工具路径”)，以从打印材料构建期望的对象。
通常，用于3D打印的路径规划过程涉及以下组合：(a)打印头移动，在此期间，随着打印头的移动，材料被添加到零件；和(b)不沉积材料的移动。后者可被称为跳跃或跳跃运动。例如，在聚合物3D打印过程中，在跳跃运动期间，挤出机电机被关闭。
在一些增材制造过程中，很难或不可能快速打开和关闭材料进料，因为这样做会以某种方式干扰材料沉积过程。在这些过程中，更合适的工具路径策略是一种在尽可能多的构建中保持进料的策略。
3D打印通常涉及逐层构建过程，其中在前进到下一层n+1之前，完成层n的所有工具路径。在这方面，现有的用于产生用于3D打印的G代码的3D打印软件通过将3D问题简化为2D问题来实现计算效率。它通过首先对对象进行切片来实现这一点，即找到规则间隔的平面与.STL文件中的三角形的相交，定义每层中要填充的2D区域，并且然后在该2D区域上执行工具路径规划，一次一层。
然而，这种逐层的方法对于任何三轴增材制造系统都是低效的，且尤其是在涉及一个或两个6轴机械臂的更先进的系统中，该更先进的系统提供了执行更复杂的三维制造的可能性。在两个机械臂(一个保持零件，另一个保持沉积头)的系统中，由于也可以进行旋转运动，所以高达12个自由度是可能的。严格的逐层路径规划方法没有利用这种自由。
已经设计了一些更先进的工具路径，诸如分形空间填充曲线(诸如Peano曲线和Hilbert曲线)。然而，对于给定的路径长度，这些路径固有地涉及大量的转弯。转弯的数量对于大规模机器人应用来说可能太高，在大规模机器人应用中，高速操纵重部件或沉积头需要相当大的减速/加速。如果工具路径中包含大量的方向变化，机器人会遭受过度的振动和磨损，并且如果机械臂没有足够的路径长度来加速并达到恒定速度，则不可能进行高速运动。
为了部分解决上述一些不足，Michel等人，“A modular path planning solutionfor Wire+Arc Additive Manufacturing”，《Robotics and Computer-IntegratedManufacturing》，第60卷，2019年12月，第1-11页，使用了对单个对象层的分区(分段)，同时每个段内具有不同的路径规划策略。他们称之为“模块化路径规划(MPP)”。在MPP过程中，一旦为所有段生成了路径，它们就被组合成一个单层路径。然而，沉积不是沿整个层连续的。相反，当到达一个部分的末端时，沉积停止，并且焊炬移至下一个部分的起点，同时电弧熄灭并且不供给任何材料。因此，该技术仍然涉及工具的多次停用。
Dwivedi，Rajeev和Kovacevic，Radovan(2004)，“Automated torch pathplanning using polygon subdivision for solid freeform fabrication based onwelding”，《Journal of Manufacturing Systems》，23(4)，第278-291页，将带有单调多边形细分(monotone polygon subdivision)的连续路径规划用于焊接增材制造过程。然而，这种技术对于将连续路径扩展到3D结构中的其他层时没有提及。因此，该技术可能遵循逐层的方法。
Flores，J.等人，“Toolpath generation for the manufacture of metalliccomponents by means of the laser metal deposition technique”，《TheInternational Journal of Advanced Manufacturing Technology》，2019年，第101卷，第5–8期，第2111–2120页，教导了一种优化的混合工具路径策略，该策略结合了轮廓曲线和锯齿形填充图案，为每个构建层提供具有恒定重叠的均匀生长。Flores等人还教导了一种用于倾斜打印头以更准确地形成悬垂特征的多轴策略。这导致曲面的层沉积。
然而，在上面讨论的每一种技术中，工具路径沉积是以逐层的方式计划的，其中在开始下一层之前，必须完全沉积一层(无论是平面的还是曲面的)。
发明概述
本发明的一个方面提供了一种确定用于控制打印工具的工具路径的方法，该方法包括以下步骤：
a)接收包含指示要形成的三维结构的数据的输入文件；
b)将三维结构划分成多个构建层，其中构建层在构建方向上分离，并且每个构建层相对于构建方向横向延伸，每个构建层包括定义该构建层与三维结构的外表面的相交的外部轮廓；
c)定义填充三维结构的工具路径，其中工具路径包括在完全填充至少一个较低构建层之前，沿着构建方向部分填充一个或更多个较高构建层；和
d)生成打印工具控制算法，该算法包括用于控制打印工具沿着工具路径移动以形成三维结构的一系列控制命令。
在一些实施例中，步骤c)包括：
c)i)将每个构建层分割成一个或更多个层区域；
c)ii)基于第一预定义填充策略，确定完全填充第一层区域的第一工具路径部分；
c)iii)基于第二预定义填充策略，确定完全填充第二层区域的第二工具路径部分，该第二层区域与同一层或相邻层中的第一层区域相邻，其中第一层区域内的第一工具路径部分的终点紧邻第二工具路径部分的对应起点；
c)iv)通过将工具路径部分起点与相邻层或相邻层区域的前一工具路径部分的对应工具路径部分终点相匹配，对所有层区域重复步骤c)ii)和c)iii),以定义单个工具路径。
在一些实施例中，步骤c)iv)包括定义轮廓循环路径，该轮廓循环路径在相邻分区起点和终点之间围绕结构的外部轮廓延伸。
在其他实施例中，步骤c)包括：
c)i)基于结构或构建过程的特征将每个构建层分割成多个层区域；
c)ii)对于每个层区域，确定多个可能的填充路径选项，该可能的填充路径选项包括层区域内的起点和终点；
c)iii)基于部分或全部位于结构中其他特征之上/之下的特征，确定每个特征的优先图；和
c)iv)确定工具路径中的执行顺序，该顺序遵循优先图中确定的优先关系，使得每个特征仅执行一次，其中按照顺序当前特征的终点与下一特征的起点相邻。
在一些实施例中，特征包括需要在其他区域之前被填充的结构的子区域。在一些实施例中，特征包括填充部分之间的连接路径。在一些实施例中，特征包括围绕结构特征循环的循环路径。在一些实施例中，填充路径选项包括填充策略。
在一些实施例中，打印工具被控制以执行增材制造过程来形成三维结构。在一些实施例中，三维结构形成更大三维对象的一部分。
在一些实施例中，工具路径是连续的，从而在整个打印过程中保持打印材料向打印工具的流动。
在一些实施例中，该方法包括步骤a)i)：通过用户界面从用户接收用于构建三维结构的一个或更多个构建参数。在一些实施例中，构建参数包括填充策略。在一些实施例中，填充策略包括双层策略，其中层n+1中的工具路径部分是相邻层n的相邻层区域中的工具路径部分的直接反向。在一些实施例中，填充策略包括从外层区域点开始并在中心层区域点结束的螺旋填充图案。在这些实施例中，相邻层的填充策略包括从中心点开始并在外部点结束的反向螺旋图案。在一些实施例中，填充策略包括栅格图案填充策略。第一填充策略和第二填充策略可以相同或不同。
在一些实施例中，将三维结构划分成多个子区域包括在定义构建层之前将三维结构分割成一个或更多个体积结构。构建层可以包括平面表面、曲面表面或其他形状。
本发明的第二方面提供了一种确定用于控制打印工具的工具路径的方法，该方法包括以下步骤：
a)接收包含指示要形成的三维结构的数据的输入文件；
b)将三维结构划分成多个子区域，子区域包括多个构建层，其中每个构建层包括定义该构建层与三维结构的外表面的相交的外部轮廓；
c)将每个构建层分割成一个或更多个层区域；
d)基于第一预定义填充策略，确定完全填充第一层区域的第一工具路径部分；
e)基于第二预定义填充策略，确定完全填充第二层区域的第二工具路径部分，该第二层区域与同一层或相邻层中的第一层区域相邻，其中第一层区域内的第一工具路径部分的终点紧邻第二工具路径部分的对应起点；
f)通过将工具路径部分起点与相邻层或相邻层区域的前一工具路径部分的对应工具路径部分终点相匹配，对所有层区域重复步骤d)和e),以定义单个工具路径；和
g)生成打印工具控制算法，该算法包括用于控制打印工具沿着工具路径移动以形成三维结构的一系列控制命令。
在一些实施例中，步骤f)包括定义轮廓循环路径，该轮廓循环路径在相邻分区起点和终点之间围绕结构的外部轮廓延伸。
在第一方面和第二方面的一些实施例中，工具路径被定义为用于优化用于形成三维结构的打印时间。在一些实施例中，工具路径被定义为使得在三维结构的形成期间，最小化沿工具路径的打印工具跳跃次数。在一些实施例中，工具路径被定义为用于最小化沿着工具路径的路径相交次数。在一些实施例中，工具路径是连续的，并且不与路径的其他部分相交。在一些实施例中，工具路径被定义为用于最小化用于形成三维结构的打印材料的量。在一些实施例中，工具路径被定义为用于优化沿着工具路径的打印工具转弯的次数和程度。在一些实施例中，工具路径被定义为用于优化层交叉的数量，以增强三维结构的整体构建的强度。
优选地，上述方法的步骤按照它们被描述的顺序来顺序地执行。
本发明的第三方面提供了一种在增材制造过程中控制打印工具的方法，该方法包括：
由计算机处理器执行由根据第一方面或第二方面的方法生成的打印工具控制算法；和
响应于打印工具控制算法，生成电信号以控制打印工具沿着工具路径移动，从而形成预定义的三维结构。
在一些实施例中，打印工具控制算法包括用于跨不同构建层或层区域改变一个或更多个构建参数的指令。在一些实施例中，打印工具的线间距在一个或更多个层区域之间变化。在一些实施例中，打印工具的运动在一个或更多个层区域之间变化。在一些实施例中，填充策略在一个或更多个层区域之间变化。在一些实施例中，构建层的厚度或高度在一个或更多个层之间变化。
在一些实施例中，打印工具包括至少一个机械臂。在一些实施例中，打印工具包括由机械臂保持在操作位置的冷喷枪。
本发明的第四方面提供了一种被配置为实现根据第一方面、第二方面或第三方面中任一方面的方法的计算机系统。
本发明的第五方面提供了一种包括指令的计算机程序，当指令被计算机执行时，使得计算机执行根据第一方面、第二方面或第三方面中任一方面的方法。
本发明的第六方面提供了一种包括指令的计算机可读存储介质，当指令被计算机执行时，使得计算机执行根据第一方面、第二方面或第三方面中任一方面的方法。
本发明的第七方面提供了一种增材制造系统，包括：
计算机处理器，该计算机处理器被配置为执行由根据第一方面至第三方面中任一方面的方法生成的打印工具控制算法；和
打印工具，该打印工具响应由计算机处理器基于打印工具控制算法生成的电信号，该电信号被配置为沿着工具路径移动打印工具以形成预定义的三维结构。
附图简述
现在将参考附图仅以举例的方式描述本公开的优选实施例。应当理解，所示的实施例仅是示例，并且不应被认为是对所附权利要求中定义的本发明范围的限制。
图1是第一冷喷涂增材制造系统的侧面透视图，该系统包括保持基底的机械臂和固定的冷喷枪；
图2是第二冷喷涂增材制造系统的俯视透视图，该系统包括分别保持冷喷枪和基底的一对机械臂；
图3a是图1和图2的冷喷涂增材制造系统的示意性系统级图；
图3b是图1和图2的冷喷涂增材制造系统的示意性系统级图，其中使用了两个独立的控制计算机；
图4a是示出确定工具路径的方法中主要步骤的过程流程图，该工具路径用于控制诸如图1所示的打印工具；
图4b是示出在图4a的方法中执行部分层方法以定义工具路径的第一方法中主要步骤的过程流程图；
图4c是示出在图4a的方法中执行部分层方法以定义工具路径的第二方法中主要步骤的过程流程图；
图4d是为图4c的第二部分层方法创建的邻接图的示例，该图包括三个元素，每个元素在两层中的一层中；
图4e是优先图，该优先图可以应用于三个分区，诸如图4d的三个元素；
图4f示出了正方形区域的层n，示出了其可以如何被划分成四个元素；
图5a是由3D CAD文件表示的要形成的箭头形对象的透视图；
图5b是图5a的3D CAD文件的STL三角划分的透视图；
图6是用于对STL文件进行切片、计算工具路径和输出打印工具控制算法的示例性GUI的屏幕截图；
图7a是已经被划分成多个水平平面的3D十字形结构的立体透视图(elevatedperspective view)；
图7b是来自图7a的十字形结构的示例性层的俯视图(elevated view)；
图8是将图7b的层划分成三个矩形分区的平面图；
图9a是用于矩形分区的螺旋图案填充策略的示意图；
图9b是用于矩形分区的栅格图案填充策略的示意图；
图10a-图10c是用于填充矩形分区的三种示例性混合填充图案的示意图；
图11是用于使用双层填充策略填充方形对象的工具路径的示意图，其中相邻层具有反向工具路径；
图12a是用于填充十字形结构的第一工具路径的示意性平面图；
图12b是用于填充十字形结构的第二工具路径的示意性平面图；
图12c是用于填充十字形结构的第三工具路径的示意性平面图，其中工具路径是连续且不相交的；
图12d是来自图12c的第三工具路径的透视图，示出了两层十字形结构；
图13a是六层箭头形对象的侧面示意图，示出了用于制造该对象的连续路径；
图13b是图13a的箭头形对象的一层的平面图，示出了栅格样式的工具路径填充策略；和
图13c是使用本文描述的双层工具路径策略构建的图13a和图13b的箭头形对象的图像。
详细描述
系统概览
本文中公开和示出的实施例将参考冷喷涂沉积(cold spray deposition)型3D打印进行描述，其中固体粉末在压力下被投射到基底上以与基底粘附。然而，应当理解，本公开也适用于其他类型的3D打印，诸如基于焊接的增材制造(例如，电弧增材制造)、粘性流体3D打印、聚合物和纤维增强聚合物的3D打印以及混凝土(concrete)3D打印。
首先参考图1和图2，示出了两个类似但是可替代的冷喷涂增材制造系统100和200。图1的系统100包括固定冷喷枪102形式的打印头和用于保持基本平面的打印基底105的六轴机械臂104。冷喷枪102是由Plasma Giken有限公司制造的型号，并且包括主体107和细长的圆柱形打印头114。喷枪打印头114适于在高压下将沉积粉末束投射到基底105的期望区域上。在与基底碰撞期间，颗粒经历塑性变形并粘附到基底105的表面。典型的材料粉末包括金属及其合金、聚合物、陶瓷、复合材料和纳米晶体粉末，并且典型的颗粒尺寸约为1至50微米。
图2示出了类似于图1的系统，但是冷喷枪103安装在第二六轴机械臂116上。图1的对应特征在图2中用相似的附图标记表示。冷喷枪103是由Impact Innovations GmbH制造的型号，并且包括在后端108和前端112之间延伸的大致圆柱形细长主体106，材料供应导管110在后端108中延伸，喷枪打印头114在前端112中突出。
应当理解，喷枪103和机械臂104和116可以由用于执行冷喷涂沉积或其他增材制造过程的其他等效设备来代替。在其他实施例中，双机械臂系统可以由固定的或机器人控制的安装件的其他组合代替。例如：
·在一个实施例中，冷喷枪(或其他打印头)由机械臂保持，并且基底保持固定在固定安装件上。
·在一个实施例中，喷枪(或其他打印头)由六轴机械臂保持，并且基底安装在由旋转台(转盘)和倾斜机构组成的定位器设备上。该系统为机械臂提供了两个额外的轴。
·在其他实施例中，提供了一种增材制造单元，其使用电机来沿着轨道或导轨移动打印头和/或基底台。例如，笛卡尔3D打印机使用三组电机(例如步进电机)来执行X-Y-Z平移运动。类似可获得的系统也可以使用delta和极坐标配置。
在其他实施例中，冷喷涂系统100可以由其他增材制造系统代替，并且冷喷枪102可以由其他打印头代替。例如，在电弧增材制造(WAAM)系统中，打印头包括焊炬。在定向能量沉积(DED)系统中，打印头结合了激光、电子束或等离子弧，通过熔化来沉积材料。在其他系统中，打印头可以包括挤压喷嘴。
打印头114的3D位置和3D取向由安装在喷枪主体106顶部的六轴机械臂116紧密机电控制。类似地，基底105的3D位置和3D取向也能够由机械臂104紧密机电控制，以实现十二个自由度上的完全打印控制。
现在参考图3a，机械臂104和116由控制计算机118控制，控制计算机118与每个机械臂电连接或无线数据连接。举例来说，机械臂104和116以及控制计算机118可以是由ABBRobotics制造的工业机器人。控制计算机118被配置为将位置控制信号120传输到机械臂104，以将基底105定位和取向在操作空间中的任何3D位置/取向。类似地，控制计算机118被配置为将位置控制信号122传输到机械臂116，以将打印头114定位和取向在操作空间中的任何3D位置/取向。此外，控制计算机118还被配置为向喷枪102发送沉积材料流控制信号124，以选择性地激活、去激活或改变来自打印头114的材料流的流参数。在一些实施例中，额外的反馈控制信号也从机械臂104和116以及喷枪102发送到控制计算机118。
如图3b所示，在一种替代布置中，单独的控制计算机130可以用于控制喷枪102进行冷喷涂过程，而计算机118被用于控制机械臂104和116。在这种布置中，冷喷涂过程完全独立于机器人控制器。这具有以更恒定的方式促进沉积过程的优点，而不需要调节进料速率、功率等来使其保持最佳状态。
在整个说明书中，用于执行增材制造过程的术语“打印工具”的使用旨在指代喷枪102、打印头114以及机械臂104和116中的一个或更多个。在这点上，“工具路径”可以指打印头114的尖端或工具中心点(TCP)与基底105之间的相对物理位置。在冷喷涂机器人编程中，TCP通常距喷嘴尖端很短的距离。例如，基底可以保持在距离喷嘴末端设定的间隔距离处，诸如20mm或30mm。如果打印头相对于基底成角度，则旋转中心是TCP。工具路径的几何形状通常相对于基底105来定义。举例来说，可以相对于基底105的角来定义3D工具路径坐标系。
控制信号120、122和124包括一系列编码控制命令，用于控制打印工具沿工具路径移动，以形成待制造的三维结构或对象。位置控制信号120和122的这些控制命令由下面参照图4a概述的工具路径规划过程确定。
工具路径规划
参考图4a，示出了确定用于控制诸如图1和图2所示的打印工具的工具路径的方法400。在初始步骤401，方法400包括接收包含指示要形成的三维结构的数据的输入文件。
输入文件通常是一个.STL(立体光刻(stereolithography))文件，该STL文件从使用计算机辅助设计(CAD)软件包制作的结构或对象的三维模型中创建。然而，输入文件可以采用其他形式，诸如.OBJ、.AMF和.3MF文件格式。举例来说，图5a示出了由3D CAD文件表示的要形成的示例性箭头形状的对象500。图5b示出了3D CAD文件的对应STL三角划分501。STL文件是一种标准文件格式，用于输入到可用于3D打印应用的各种切片软件产品中。STL文件仅描述三维结构的表面几何形状，而不表示其他常见的CAD模型属性，诸如颜色和纹理。在一些实施例中，STL文件将对象表示为互连三角形的网格，每个三角形具有基于预定义几何坐标系的对应坐标。
应当理解，可以使用各种商业上可获得的CAD软件包中的任何一种来产生输入文件，这些软件包包括但不限于SolidWorks(由Dassault Systèmes SolidWorks公司拥有)、Autodesk Fusion 360(由Autodesk,Inc.拥有)、Autodesk Inventor(由Autodesk,Inc.拥有)等。
在可选步骤402，用户可以通过用户界面输入用于构建三维结构的一个或更多个构建参数。用户界面可以是通过显示器和与控制计算机118进行数据通信的用户输入设备可访问的图形用户界面(GUI)。替代地，用户界面可以是单独的计算机设备可访问的，该单独的计算机设备经由诸如LAN或互联网的网络与控制计算机118进行数据通信。步骤402是可选的，因为构建参数可以预先定义并自动设置，而不是手动输入。在任一种情况下，必须在工具路径确定过程开始之前定义某些构建参数。
示例构建参数包括：
·填充策略，诸如栅格、螺旋、锯齿形或混合图案填充策略。
·构建层(build layer)的层高或厚度。
·工具路径的线间距(line spacing)。
·打印头的遍历速度(traverse speed)。
·打印头的喷嘴角度。
·工具路径中的转弯的最小或最大曲率半径。
·打印头起点。
·实际工具路径规格允许的公差(tolerance)或偏差。
图6示出了用于对STL文件进行切片、计算工具路径和输出打印工具控制算法的示例性GUI 600的屏幕截图。这个GUI背后的软件是用Python编程语言编写的。然而，应当理解，类似的程序可以用其他编程语言来实现。
在可选步骤403，三维结构可以被划分成多个体积结构。当三维结构更复杂并且包括许多不同形状的部件时，这种体积分割可能发生。可以被划分成不同体积子区域的复杂结构的示例包括具有悬垂件(诸如支架或翼肋(wing ribs))的结构。或者以一张桌子为例。在这种情况下，桌子的底部可以被单独分割到每条腿，并且不同的体积结构被单独制造。因此，由方法400确定的工具路径所制造的三维结构可以形成更大的三维对象的部分，其中不同的体积结构具有不同的构建方向。对于简单结构，可以在不将三维结构划分成体积结构的情况下执行构建过程。
在步骤404，对于体积结构中的每一个，通过该结构定义构建方向，并且定义相对于构建方向横向延伸的多个构建层。举例来说，图7a示出了3D十字形结构700，其被划分成由虚线指示的多个水平面(例如701)。箭头702示出了构建方向。切片产生的层701如图7b所示。
由于增材制造过程包括将材料顺序沉积到基底105上，因此必须有预定义的构建方向，该方向通常垂直于基底105的表面。如下所述，在一些实施例中，对于对象的不同体积结构，可能存在不止一个构建方向，尤其是在该结构需要更复杂的支撑元件的情况下。然而，在对象的特定体积结构内，增材制造过程通常依赖于一系列构建层中的沉积。
每个构建层延伸穿过三维结构，并因此包括一个或更多个轮廓，这些轮廓是定义构建层与要形成的对象表面相交的环。在一般实践中，3D模型(诸如STL格式文件)用三角形网格来近似模型表面。因此，层平面与模型表面的相交会产生包含直线段的轮廓。它们是简单的、不相交的多边形。
外部轮廓由层平面与3D对象的外表面(诸如十字形结构700的垂直壁)的相交产生。每个定义的层必须包含至少一个外部轮廓。内部轮廓总是被限制在由外部轮廓界定的区域内，并且是对包含内部空腔的3D对象进行切片的结果。并非所有层都将包含内部轮廓，并且如果3D对象不包含内部空腔，切片模型中将没有内部轮廓。
构建层通常相对于定义的构建方向垂直延伸，但是在曲面层的情况下，也可以部分地在构建层的方向上延伸。然而，更一般地，构建层相对于构建方向横向延伸。传统的增材制造过程依赖于在过程移动到下一层之前完全填充一层。也就是说，完全填充外部轮廓和内部轮廓(如果有的话)之间的构建层。
如图7a的插图所示，步骤404的分层过程包括基于切片算法将STL文件(或其他输入文件格式)中的三维结构切片成由厚度d分隔的n个单向或多向层。在设置构建参数时，每层的选定厚度d将最终确定机械臂104和116在每层期间的位置。然而，对于每一层，较厚的层将需要更多的打印材料从打印头114中喷射。因此，层厚度构建参数将部分地定义位置控制信号120和122，以及材料流控制信号124。
如上所述，STL文件包括三维空间中的一组三角形。每个三角形由三条线段组成。在一个实施例中，步骤404的分层过程包括确定该组STL线段与定义该层的无限平面的交点。交点然后被排列和分组，以形成轮廓多边形。
如上所述，典型地，构建层包括相对于构建方向横向和垂直延伸的平面表面。然而，在一些实施例中，构建层可以包括曲面或其他非平面结构。例如，圆柱形切片利用机械臂的轴来执行旋转运动。
在步骤403将较大的三维结构分割成单独的体积结构的情况下，步骤404的层分割过程可以针对每个体积结构单独执行，并且每个体积结构可以包括不同的构建方向。因此，举例来说，三维结构可以包括三个体积结构Vi、Vj和Vk，其中每个体积结构分别被划分成具有相应厚度di、dj和dk的层切片ni、nj和nk的叠层。不同体积结构的层切片数量和厚度可以相同或不同。
在步骤405，通过采用本发明特有的部分层完成技术，定义工具路径来填充体积结构(或者如果在步骤403仅定义了单个体积结构，则填充整个三维结构)。在该部分层完成技术中，定义了工具路径，该工具路径通过在完全填充至少一个较低构建层之前沿着构建方向部分填充一个或更多个较高构建层来填充体积结构。以这种方式，工具路径不像现有技术那样受限于逐层方法，并且利用了遍历整个三维体积结构可获得的自由度。
一些不同的方法可以用于在步骤405中执行部分层完成技术。一种这样的方法包括利用优化算法来定义具有部分层交叉的合适路径。在一种方法中，在体积结构内定义工具路径的单独部分，并且使用基于图论的优化算法将这些部分链接在一起。例如，哈密顿(Hamiltonian)寻径算法可以应用于将相邻的工具路径部分链接在一起，同时仅使用工具路径的每个部分一次。
在三维中，层n中的工具路径部分可以与也在层n中的相邻区域相邻，或者与层n+1或层n-1中的区域相邻。这种技术在尝试填充复杂形状时可能特别有用，因为需要跨不同层的多次过渡来链接各部分。替代地，工具路径附近部分之间的距离可以被记录为成本矩阵。然后可以实现成本最小化例程来找到附近部分之间的最小路径。在填充当前层中的特定区域以避免“底切(undercutting)”之前，可以创建优先图来保持跟踪下面的层中需要首先被填充的区域。
双层工具路径策略
现在参考图4b，示出了执行步骤405以基于双层策略来定义工具路径，从而执行部分层完成的示例性方法。在步骤405a，每个构建层被分割成一个或更多个横向层元素或分区。举例来说，图8示出了被划分成三个矩形分区P1-P3的图7a的十字结构700的层701。在一些实施例中，特别是在要形成的结构具有相对简单的几何形状的情况下，步骤405a的输出可以是由涵盖整个层的单层区域来定义层。
步骤405a包括，对于每一层，将由外部轮廓界定的区域划分成较小的多边形。例如，可以使用凸分割例程来消除凹顶点，从而简化填充路径的计算。在一些实施例中，步骤405a的层分割被结合到填充路径计算例程中(下面的步骤405b)，但是作为单独的步骤执行这些过程通常提供更简单的工作流程。
在步骤405b，基于第一预定义填充策略确定完全填充第一分区的第一工具路径部分。填充策略可以是多种已知策略中的任何一种，诸如栅格、螺旋或混合策略。图9a示出了用于矩形分区的示例性螺旋图案填充策略，并且图9b示出了用于相同区域的示例性栅格图案填充策略。在这些图中，实线表示由短划线指示的矩形轮廓内部的工具路径。轮廓顶点标记为1、2、3、4，并且填充路径的前两个顶点被标记为5和6。
将L作为线间距，螺旋填充策略包括将每个线段向内偏移距离L，直到轮廓所界定的区域被填充。首先偏移轮廓线段(虚线)，并且然后偏移螺旋图案本身的线段，以在螺旋图案中创建新线段。
栅格填充策略包括将第一个轮廓线段偏移距离L，然后在下一个线段的方向上做一个小的移动，然后偏移第一个线段，依此类推。
混合填充图案使用完全移动和短移动的更任意的组合，因此某些部分看起来像螺旋，而其他部分像栅格。图10a-图10c示出了用于填充矩形分区的三种示例性混合填充图案。
请注意，每个填充策略的终点在不同的位置。以这种方式，计算机算法可以使用不同的栅格和螺旋组合来到达与(例如，上面或下面的层中的)相邻分区的起点相邻的点。
在步骤405c，基于第二预定义填充策略确定完全填充第二层区域的第二工具路径部分。第二预定义填充策略可以与第一预定义填充策略相同或不同。第二层区域优选位于下一相邻层(n+1)中与第一层区域相邻的位置。为了保持部分或完全连续性，第一层区域内的第一工具路径部分的终点优选地紧邻或尽可能接近第二工具路径部分的对应起点。这在图11中示意性地示出，图11示出了两个相邻层的相同正方形层区域的工具路径部分。如图所示，在层n中，工具路径部分从点A延伸到点B，而在层n+1中，工具路径部分从点B延伸回到点A，以提供跨越两个相邻层区域的连续工具路径。
在图11所示的示例中，执行特征的顺序是：i)层n的正方形的底部轮廓通向点A，ii)层n填充点A到点B，iii)向上步进到层n+1，并从点B到点A以相反方向填充，iv)向下步进到层n并在周围逆时针移动到黑点，(v)向上步进到第n+1层并在周围执行完全逆时针轮廓循环。终点与起点相同，但高一层。如果工具头再次向上步进一层并且重复图案，则在完全填充层n+2或n+3之前，可以以类似的双层方式填充下两层n+2和n+3内的层区域。
这种填充策略可以被称为双层策略，其中层n+1中的工具路径部分是相邻层n的相邻层区域中的工具路径部分的直接反向。尽管图11示出了反向栅格图案，但是应当理解，其他互为反向图案也是可能的。例如，一个双层填充策略可以包括从层n的外层区域点开始并在层n的中心层区域点结束的螺旋填充图案。相邻层n+1的填充策略然后包括从中心点开始并在外部点结束的反向螺旋图案。
图12a至图12c示出了可用于填充图7a所示的十字结构700的层701的三个示例性工具路径。这里，箭头指示工具头行进的方向，而点表示从当前层过渡到上一层。短划线表示从上一层或下一层到当前层的过渡移动。图12a和图12b的路径策略表示没有利用图8所示的步骤404的层分割的不良策略。图12c和图12d的路径策略表示了一种改进的策略，其利用了层分割并提供了连续的非交叉路径。
图12a示出了一种不良的工具路径策略，其将十字视为两个矩形。该工具路径将导致两个矩形重叠处的中心正方形中的材料量增加一倍。如果材料是通过冷喷涂沉积的，由于构建物的顶表面高度不均匀并且不再垂直于喷嘴，会导致高度的孔隙率(porosity)。此外，需要定期移除多余的材料以继续构建过程。
图12b示出了栅格图案，其避免了加倍问题，但是仍然是相交路径策略。在尺寸发生突变的地方，填充路径与轮廓相交。在从一个层到下一个层的过渡中，路径也会离开由外部轮廓界定的区域。因此，该工具路径策略也没有优化。
图12c示出了通过遵循图8所示的层分割来填充十字结构的连续的、不相交的路径。栅格填充图案在每个分区内纵向取向。轮廓循环路径用于从一个分区移动到另一个分区。每个分区中都有一个从所示层到上一层的过渡，加上左侧外部轮廓处的另一个过渡(总共四个层过渡)。上一层包含相同的栅格图案，但行进方向是相反的方向。图12d示出了相同的工具路径，但是是两个相邻层的3D视图。
在工具路径连续的情况下，如图12c和12d的策略，到打印头114的打印材料流能够在整个打印过程中保持。这避免了打印头114的不希望的停用(或“跳跃”)，这种停用(或“跳跃”)可能干扰材料流动过程。根据进料机构的不同，关闭并再次打开进料可能不会导致近乎瞬时的响应。在粉末进料过程中，当进料恢复时，通常会有一段非恒定或不稳定的材料流。在冷喷涂过程中，喷粉过程中的突然扰动会在超音速气流中产生波动，导致沉积物中的缺陷和过多孔隙，或者喷嘴堵塞。在粘性流体的泵驱动进料中，由于压力的累积，很难停止流动。这也可以减少沉积的材料量、处理时间和执行制造过程所需的能量。
需要指出的是，在遵循图11和图12a-d所示的工具路径策略时，结构的两个相邻层的区域在这些层中的任一层被完全填充之前被部分填充。这与现有技术不同，在现有技术中，结构纯粹是在逐层的基础上制造的，并且相邻层直到前一层完成才开始。工具路径的这种额外的灵活性提供了更连续的工具路径，这在时间、成本和制造质量上具有优势。此外，部分层完成技术提供了可选地定义沿着构建方向的更多层间工具交叉。这可以通过降低分化(stratification)来增强整体构建的强度，因为层交叉可以作为沿着构建方向的加强件。
传统上，由于与在平行于X-Y(构建层)平面的方向上测量的特性相比，Z方向(构建方向)特性较差，因此3D打印零件经常遭受机械各向异性。例如，在普通聚合物(诸如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)和聚乳酸(PLA))的3D打印中，由于缺乏聚合物链跨层的相互扩散，构建方向强度通常比面内强度低50–75％(参见C.Duty、J.Failla、S.Kim、T.Smith、J.Lindahl、V.Kunc,Additive Manufacturing 2019,27,175-184)。
另一个示例是纤维增强聚合物的3D打印，诸如碳纤维增强聚合物、玻璃纤维增强聚合物或Kevlar增强聚合物3D打印。尽管有时被描述为连续纤维打印，但纤维铺设实际上在每层完成时被中断，并且通常在每层内被中断多次。为了弥补这一点，有人建议，可以故意打印具有垂直空隙的零件上，在空隙中插入销，这一过程被称为“z-pinning”(参见Roschli,Alex C.、Duty,Chad E.、Lindahl,John M.、Post,Brian K.、Chesser,PhillipC.、Love,Lonnie J.和Gaul,Katherine T.，Increasing Interlaminar Strength inLarge Scale Additive Manufacturing；美国:N.p.,2018；Web)。然而，发明人已经发现，将层交叉合并到工具路径中提供了一种改进Z方向特性的更简单的方法，而不需要对制造过程进行大量修改或增加繁琐的步骤。
在一些实施例中，在填充相邻层之前完全填充特定层可能是有利的。应当理解，不同的填充策略可以跨不同的层区域和不同的层使用，使得一些层被顺序地完全填充，而另一些层一次仅被部分填充。例如，可以在不同的层区域上执行螺旋和栅格图案的混合。在一个特定示例中，在每个连续图层中被重新定向90度的栅格图案称为交叉影线(cross-hatching)图案。
在步骤405d，确定工具路径是否完整。如果有额外的层区域要填充，则通过将工具路径部分起点与相邻层或层区域的前一工具路径部分的对应工具路径部分终点相匹配，对所有层区域重复步骤405b和405c。通过匹配，意味着相应工具路径部分的起点和终点足够接近，以最小化或避免打印头114的停用或跳跃。
为了实现工具路径部分之间的连续路径，工具路径策略在连接分区起点和终点时围绕结构的外部轮廓循环是有利的。这种轮廓循环降低了单个分区或层区域脱节的机会，并提高了提供连续路径的能力。因此，外部轮廓路径被划分成多个部分，这些部分提供了填充路径的每个部分的终点和起点之间的链接。
哈密顿工具路径策略
现在参考图4c，示出了执行步骤405以基于哈密顿路径问题策略定义工具路径来执行部分层完成的替代的示例性方法。
在步骤405i，每个构建层被分割成多个横向层区域或分区。每个层区域基于对应“元素”来确定。如下所述，每个元素代表哈密顿路径问题中的一个节点。元素可能包括需要在其他区域之前被填充的结构或层的子区域。这些是通过将由外部轮廓路径界定的区域划分成更小的区域来实现的。元素还可以包括填充部分之间的连接路径。例如，这些可能是外部轮廓循环路径的部分。元素还可以包括循环路径，诸如内部轮廓循环，其表示可以围绕由内部轮廓形成的孔的周边的路径。循环路径在它们开始的地方结束。元素也可以包括外部轮廓循环的部分。外部轮廓循环的部分提供了与轮廓相邻的分区之间的链接路径。
在步骤405ii，对于每个层区域，为每个层区域确定多个可能的填充路径选项。每个路径选项都有相关联的起点和终点，以及可选的优选或预定义的填充策略。诸如轮廓路径部分的元素也将有一个可能的起点和终点列表。
图4d提供了用三个元素创建的邻接图的示例，每个元素位于两层中的一层。在实践中，会有更多的层并且每层内有更多的元素。每个元素都可以以多种方式执行，同时保持在约束范围内，诸如指定的栅格线方向或沿轮廓路径的方向内。每个路径选项都有一个起点和一个终点。可以为每个元素组合可能的起点和对应的终点的列表。然后，可以基于一个元素的终点与另一个元素的起点之间的欧几里德距离来进行邻接测试。
在步骤405iii，基于部分或全部位于结构中其他元素之上/之下的元素，为每个元素确定优先图。在完成所有基础元素之前，不会执行任何元素。然而，特定层之上的层的不同区域可以在该特定层的所有区域完成之前完成。以这种方式，遵循不将工具路径策略限制为逐层完成的部分层完成方法。
图4e示出了可能适用于相同组的三个分区的优先图。该图示出了层n中的元素E2部分或全部位于层n+1中的E3之下，而层n中的E1没有。因此，在执行E3之前，必须进行检查以确认E2已经完成。E1没有这种限制。
在步骤405iv，确定工具路径中的元素执行顺序以及每个层区域的填充选项的选择。该确定可以基于以下要求：
a)每个元素只执行一次；
b)执行顺序遵循在步骤405iii期间在优先图中确定的优先关系；和
c)按照顺序下一元素的终点与当前元素的起点相邻。
图4f示出了图11中所示的正方形区域的层n，示出了如何将其划分成四个元素。三个元素E1n、E2n和E3n构成了外部轮廓循环路径。点2和点3处的粗笔划指示轮廓路径被分割成多个部分的位置。E1n从层起点1延伸到点2，E2n从点2延伸到点3，并且E3n从点3延伸到轮廓终点4。E4n是正方形内部的区域，被示出为使用从点A到点B的栅格图案填充。E4n的替代填充选项是从点B到点A沿相反方向遍历相同路径。形状与层n相同的层n+1将具有等效元素，表示为E1n+1、E2n+1、E3n+1和E4n+1。
举例来说，终点/起点邻接的要求表示E4n可以跟随E1n，但不能反过来。如果E4的路径方向反向，即从B点到A点，那么E4n可能不会跟随E1n。
下面的表1给出了这组元素的优先矩阵。例如，表1表明，E1n+1在E1n被执行之前不能被执行，因为E1n位于正下方。
E1n E2n E3n E4n E1n+1 E2n+1 E3n+1 E4n+1
E1n 0 0 0 0 0 0 0 0
E2n 0 0 0 0 0 0 0 0
E3n 0 0 0 0 0 0 0 0
E4n 0 0 0 0 0 0 0 0
E1n+1 1 0 0 0 0 0 0 0
E2n+1 0 1 0 0 0 0 0 0
E3n+1 0 0 1 0 0 0 0 0
E4n+1 0 0 0 1 0 0 0 0
表1
考虑到邻接和优先，该问题的解决方案，如图11所描绘的，具有以下元素顺序；E1n、E4n、E4n+1、E2n、E3n、E1n+1、E2n+1、E3n+1。E4n的路径选项是从A到B的方向，而E4n+1的路径选项是从B到A的方向。
通过遵循步骤405i至405iv，可以确定代表优先图中恰好访问每个顶点一次的路径的哈密顿路径。
一旦结构的所有层区域的所有工具路径部分完成，它们被组合以定义单个工具路径。在优选实施例中，为每个层区域采用的工具路径策略被定义为使得末端工具路径是连续的并且不与路径的其他部分相交。然而，应当理解，工具路径可以被定义为针对其他参数进行优化，诸如：
·通过最小化打印头不打印材料的时间来优化形成三维结构的打印时间。
·在三维结构形成期间，最小化沿工具路径的打印工具跳跃次数。跳跃发生在起点和终点之间有足够距离的地方，使得来自打印头114的材料流必须暂时停止。
·最小化沿工具路径的路径相交次数。如果不停止进料，路径相交会导致不需要的额外材料沉积在结构上。这种额外的材料通常需要在沉积额外的层之前或者在所有的层都已经沉积之后，通过锉或刮削过程单独去除。
·最小化离开由外部轮廓界定的区域的路径数量，即在三维模型外部“绘图”的次数。例如，图12a和图12b中的对角线表示离开被制造对象的外部轮廓的路径。在最好的情况下，这些外部路径会造成材料浪费，并且在最坏的情况下，它们会导致到较低层的不必要的沉积。
·最小化用于形成三维结构的打印材料的量。连续且不相交的路径提供了最少的所需打印材料。然而，如果这种连续且不相交的路径是不可能的(例如，对于要形成的复杂结构)，那么不同的路径选项可能是可用的，其需要不同量的打印材料。
·优化打印工具沿着工具路径转弯的次数和程度。工具路径中的急转弯要求打印头加速更快或移动更慢。前者会对材料沉积过程产生负面影响，而后者会造成更长的打印时间。
·在整个打印过程中，在结构的不同区域上分配打印过程。结构的一个局部区域的过度打印会导致过热，这可能导致最终产品的结构变形或缺陷。
·优化层交叉的数量，以增强整体构建的强度，尤其是在Z方向(构建方向)上增强。通过将每一层划分成更多更精细的分区，并使用层间的过渡将它们连接成完全连续的路径，可以增加层交叉的数量。
图13a示出了用于制造图5a的箭头形对象500的连续路径。图13a示出了六个层，并示出了相邻层之间的过渡位置。图13b示出了用于图13a的层中的一个层的栅格样式工具路径填充策略。这里的点表示到/从相邻层的过渡。
如果三维结构被划分为体积子区域，则整个结构的工具跳跃的数量可以被最小化为等于子区域的数量。必须正确选择子区域，以便切片后每层中有且仅有一个外部轮廓。
对于已经在步骤403被划分成多个体积结构的更复杂的结构，对每个体积结构重复步骤404和405。
回到图4a，最后，在步骤406，基于定义的工具路径生成打印工具控制算法。该算法包括一系列控制命令，用于控制打印头114沿着工具路径移动以形成三维结构。该算法能够由控制计算机118执行，并且控制命令作为控制信号120、122和124传输，以通过机械臂104和116以及喷枪102执行打印过程。
在步骤406的算法输出是用于执行增材制造的机器人程序。根据特定的机器人系统，它可以用G代码(计算机数控-CNC代码)或某种其他语言编写。例如，由ABB Robotics开发的机器人运行在ABB专有的编程语言RAPID上。
下面是由方法400创建的RAPID机器人程序的前几行。方法400可以用于以其他编程语言输出，例如G代码。
应当理解，方法400形成了用于执行增材制造过程的初始程序。在这方面，本公开的一个方面涉及一种在增材制造过程中控制诸如系统100的打印工具的方法。该方法包括:
a)由诸如控制计算机118的计算机处理器执行由方法400生成的打印工具控制算法；和
b)响应于打印工具控制算法，生成电信号(例如，信号120、122和124)以控制打印工具沿着定义的工具路径移动，从而形成预定义的三维结构。
除了简单地控制打印头114的位置和流量之外，打印工具控制算法还可以包括用于跨不同的构建层或层区域改变一个或更多个构建参数的指令。例如，打印头114的线间距和/或运动(例如，最小速度或最大加速度)可以被控制为在一个或更多个层区域之间变化。尽管这些参数在打印过程中可能会改变，但是何时以及在何处改变参数的决定是在开始打印之前在工具路径规划过程中预先定义和设置的。
应当理解，方法400可以被实现为包括指令的计算机程序，当指令被诸如控制计算机118的计算机执行时，使得计算机执行方法400。方法400也可以体现为存储在计算机可读存储介质上的一组指令。当存储介质与计算机(诸如控制计算机118)接口连接时，指令可以由计算机执行以使计算机执行方法400。
上述公开内容提供了比当前可用的更复杂的工具路径策略，其允许相邻层之间的多次过渡，并消除了顺序层完成以实现连续工具路径的先前限制。其允许通过在填充至少一个较低构建层的所有层区域之前沿着构建方向填充较高构建层的一个或更多个层区域来定义填充三维结构的工具路径。即其允许在层n被完全填充之前，在层n+1或层n+2等中铺设材料。
此外，可以在层切片之前将对象分割成子体积，以将问题减少到子部件，每个子部件都可以连续打印。此外，体积细分允许多个构建方向，从而利用机器人在构建过程中以任意取向保持零件的能力。
对于多材料构建，与非平面切片相结合的体积分割算法可用于最大化一种材料成分的打印连续性，即在互连的多材料构建中减少从一种材料到另一种材料的转换次数。
箭头冷喷涂示例
在使用冷喷涂金属沉积的实践中演示了用于产生图中所示箭头形状的示例工具路径。使用Plasma Giken PCS-1000L高压冷喷涂系统将铝喷涂到200x 200x 6mm的铝构建板上。冷喷枪是静止的，而构建板在喷嘴前面由ABB IRB4600机械臂移动。
工具路径规划算法用Python编写。箭头STL文件以0.5mm的层高切片。使用双层策略解决了连续路径问题。使用了具有2mm线间距的栅格图案填充图案，其中栅格角度每两层旋转90°。使用50mm/s的工具速度。计算工具路径后，Python程序输出一个ABB RAPID模块文件，该文件随后在ABB RobotStudio软件中打开。
在冷喷涂之前，对铝构建板进行喷砂处理，以提高冷喷涂材料的附着力。冷喷涂粉末进料器装有平均颗粒尺寸为36.1μm的纯铝粉。氮气被用作加速气体。冷喷涂气体设置为：400℃和4.0MPa。喷嘴出口和构建表面之间的间隔距离保持在30mm。总构建时间约为20分钟。
图13c示出了完成的结构，并示出在箭头区域之外没有铝沉积到构建板上。此外，构建物的顶表面大致为平面，允许由于粉末进料波动而产生一定程度的高度变化。这表明实现部分层完成的工具路径规划算法成功地均匀填充了零件的每个区域。如果工具路径包括从一个位置到另一个位置的重叠、重复的路径部分或交叉，箭头会显示出过度构建和构建不足的特征。
解释
在本说明书(包括权利要求)中使用的任何或所有术语“包括(comprise)”、“包含(comprises)”、“包含(comprised)”或“包含(comprising)”时，它们应被解释为指定所述特征、整体、步骤或部件的存在，但不排除一个或更多个其他特征、整体、步骤或部件的存在。
在本说明书中，术语“计算机”等的使用可以指处理(例如来自寄存器和/或存储器的)电子数据的任何设备或设备的一部分，用于将该电子数据转换成例如可以存储在寄存器和/或存储器中的其他电子数据。“计算机”或“计算机器”或“计算平台”可以包括一个或更多个处理器。
此外，计算机可以作为独立设备操作或者可以连接，例如联网到其他处理器(一个或更多个)和/或计算机(一个或更多个)。在联网部署中，计算机(一个或更多个)可以在服务器-用户网络环境中作为服务器或用户机器来操作，或者可以在对等或分布式网络环境中作为对等机器来操作。计算机(一个或更多个)可以形成个人计算机(PC)、平板PC、机顶盒(STB)、个人数字助理(PDA)、蜂窝电话、网络设备、网络路由器、交换机或网桥，或者能够(顺序地或按其他方式)执行一组指令的任何机器，该指令指定该机器要采取的动作。
在整个说明书中提及的“一个实施例”、“一些实施例”或“实施例”意味着结合实施例所描述的特定的特征、结构或特性被包含在本公开的至少一个实施例和可能的多个实施例中。因此，在整个本说明书的各个地方中出现的短语“在一个实施例中”、“在一些实施例中”或“在实施例中”不一定都指相同的实施例。此外，在一个或更多个实施例中，特定特征、结构或特性可以以任何合适的方式组合，这对于本领域普通技术人员从本公开中是明显的。
此外，虽然本文中描述的一些实施例包括一些但不包括其他实施例中包括的其他特征，但是不同实施例的特征的组合意味着在本公开的范围内，并且形成不同的实施例，如本领域技术人员将理解的那样。例如，在所附权利要求中，任何要求保护的实施例可以以任何组合使用。
如本文所用，除非另有说明，序数形容词“第一”、“第二”、“第三”等描述共同的对象，仅指示所指代的类似对象的不同实例，而不是旨在暗示如此描述的对象必须在时间上、空间上、等级上或以任何其他方式处于给定的顺序。以这种方式，当本文描述的任何方法包括几个步骤时，除非特别说明，否则不暗示这些元素的顺序。
因此，虽然已经描述了被认为是优选的本公开的实施例和应用，但是本领域的技术人员将认识到，在不脱离本公开的精神的情况下，可以对其进行其他和进一步的修改，并且旨在要求落入本公开范围内的所有这些改变和修改。例如，上面给出的任何公式仅仅是可以使用的程序的代表。可以从框图中添加或删除功能，并且可以在功能块之间互换操作。可以在本公开范围内描述的方法中添加或删除步骤。

Claims (27)

1.一种确定用于控制打印工具的工具路径的方法，所述方法包括以下步骤：
a)接收包含指示要形成的三维结构的数据的输入文件；
b)将所述三维结构划分成多个构建层，其中构建层在构建方向上分离，并且每个构建层相对于所述构建方向横向延伸，每个构建层包括定义该构建层与所述三维结构的外表面的相交的外部轮廓；
c)定义填充所述三维结构的工具路径，其中，对于至少两个相邻层，所述工具路径包括使用连续且不相交的工具路径在完全填充至少一个较低构建层之前，沿着所述构建方向部分填充一个或更多个较高构建层；和
d)生成打印工具控制算法，所述算法包括用于控制所述打印工具沿着所述工具路径移动以形成所述三维结构的一系列控制命令。
2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤c)包括：
c)i)将每个构建层分割成一个或更多个层区域；
c)ii)基于第一预定义填充策略，确定完全填充第一层区域的第一工具路径部分；
c)iii)基于第二预定义填充策略，确定完全填充第二层区域的第二工具路径部分，所述第二层区域与同一层或相邻层中的所述第一层区域相邻，其中所述第一层区域内的所述第一工具路径部分的终点紧邻所述第二工具路径部分的对应起点；
c)iv)通过将工具路径部分起点与相邻层或相邻层区域的前一工具路径部分的对应工具路径部分终点相匹配，对所有层区域重复步骤c)ii)和c)iii),以定义单个工具路径。
3.根据权利要求2所述的方法，其中步骤c)iv)包括定义轮廓循环路径，所述轮廓循环路径在相邻分区起点和终点之间围绕所述三维结构的外部轮廓延伸。
4.根据权利要求1所述的方法，其中步骤c)包括：
c)i)基于所述三维结构或构建过程的特征将每个构建层分割成多个层区域；
c)ii)对于每个层区域，确定多个可能的填充路径选项，所述可能的填充路径选项包括所述层区域内的起点和终点；
c)iii)基于部分或全部位于所述三维结构中其他特征之上/之下的特征，确定每个特征的优先图；和
c)iv)确定所述工具路径中的执行顺序，所述执行顺序遵循所述优先图中确定的优先关系，使得每个特征仅执行一次，其中按照顺序当前特征的终点与下一特征的起点相邻。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述结构包括一个或更多个特征，并且其中至少一个特征包括所述结构的在其它区域之前被填充的子区域。
6.根据权利要求4所述的方法，其中所述三维结构或构建过程的一个或更多个特征包括填充部分之间的连接路径。
7.根据权利要求4所述的方法，其中所述三维结构或构建过程的一个或更多个特征包括围绕结构特征循环的循环路径。
8.根据权利要求4所述的方法，其中填充路径选项包括填充策略。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述打印工具被控制以执行增材制造过程来形成所述三维结构。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述三维结构形成较大三维对象的一部分。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述工具路径是连续的，从而在整个打印过程中保持打印材料向所述打印工具的流动。
12.根据权利要求1所述的方法，包括通过用户界面从用户接收用于构建所述三维结构的一个或更多个构建参数的步骤a)i)。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述构建参数包括填充策略。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述填充策略包括双层策略，其中，层n+1中的工具路径部分是相邻层n的相邻层区域中的工具路径部分的直接反向。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述填充策略包括从外层区域点开始并在中心层区域点结束的螺旋填充图案。
16.根据权利要求15所述的方法，其中相邻层的填充策略包括从中心点开始并在外部点结束的反向螺旋图案。
17.根据权利要求13所述的方法，其中所述填充策略包括栅格图案填充策略。
18.根据权利要求2所述的方法，其中所述第一预定义填充策略和所述第二预定义填充策略相同。
19.根据权利要求1所述的方法，其中将所述三维结构划分成多个子区域包括：在定义所述构建层之前将所述三维结构分割成一个或更多个体积结构。
20.根据权利要求1所述的方法，其中所述构建层包括平面表面。
21.根据权利要求1所述的方法，其中所述构建层包括曲面表面。
22.根据权利要求1所述的方法，其中所述工具路径包括用于不同层区域的多个工具路径部分，所述多个工具路径部分被组合以限定单个工具路径。
23.根据权利要求22所述的方法，其中至少一些工具路径由一个或更多个围绕所述结构的外部轮廓的循环路径连接。
24.根据权利要求1所述的方法，其中一些构建层或每个构建层被分割为一个或更多个层区域，并且其中至少一些层区域是基于表示以下一项或更多项的元素来确定的：
哈密顿路径问题中的节点；
所述结构的子区域；
需要在其他区域之前填充的层；
填充部分之间的连接路径；或者
内部轮廓循环路径或外部轮廓循环路径。
25.一种计算机系统，其被配置为实现根据权利要求1至24中任一项所述的方法。
26.一种计算机可读存储介质，其包括指令，所述指令当由计算机执行时，使得所述计算机执行根据权利要求1至24中任一项所述的方法。
27.一种增材制造系统，包括：
计算机处理器，所述计算机处理器被配置为执行由根据权利要求1至24中任一项所述的方法生成的打印工具控制算法；和
打印工具，所述打印工具响应由所述计算机处理器基于所述打印工具控制算法生成的电信号，所述电信号被配置为沿着工具路径移动所述打印工具以形成预定义的三维结构。
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