CN114454487B - 一种自适应生成支撑结构的增材制造分层切片方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自适应生成支撑结构的增材制造分层切片方法，该分层切片方法，其中具体包括：数据结构的封装处理、切片层轮廓的动态修改和布尔合并运算生成支撑结构。该自适应生成支撑结构的增材制造分层切片方法，解决悬垂结构制造困难的问题，将支撑结构的建立整合到增材制造的分层切片步骤中，将数据处理以及实际生产过程统一起来提高效率，大大提高了生产的效率，并且在运算过程中始终保证数据结构的稳定，确保了成型精度，在引入了轮廓偏置的概念后，材料的利用率也得到了保障，对于需求精细且结构复杂的悬垂结构，达到通用、稳定、高效等需求解决原有生产过程需要借助多种硬件的低效率、高消耗的问题。

Description

一种自适应生成支撑结构的增材制造分层切片方法
技术领域
本发明涉及增材制造相关技术领域，具体为一种自适应生成支撑结构的增材制造分层切片方法。
背景技术
增材制造(AM)是一种通过逐层材料的堆积来生成工件的方法，与减法制造不同，它不需要从超大尺寸的原始模型开始去除不必要的材料，具有着沉积速率高、成本相对较低等诸多优点。然而为了能让AM制造外形复杂的零件，对于一些悬垂结构将不可避免的使用到支撑材料，尤其在电弧增材制造中，支撑结构往往要使用与原模型相同的材料，这种做法不仅导致了额外的材料堆积，同时也增加了额外的后加工处理成本来去除它。研究表明，在支撑结构生成的过程中，应考虑几个技术因素，如材料消耗、建造时间和去除过程后的表面光洁度。一种有效的支撑结构生成方法直接决定了对象能否成功构建。
专利CN113059187A通过确定上方部件以及下方部件的熔化工艺参数以及悬垂结构的悬臂长度跟打印材料的悬臂成形极限，来确定合适的台阶数量、台阶厚度以及台阶工艺改变量，以完成从下至上的增材制造。
专利CN113000861A通过装置在喷嘴两侧的外加磁场发生装置和熔池形貌在线监测装置，将信息实时传输到中控系统并与理想熔池形貌进行比对，然后实时调控参数，制造磁约束以达到加工悬垂结构件的目的。
专利CN108161007B提供一种SLM成型悬垂结构的金属零件优化方法，不仅能减少局部能量输入，同时也能降低翘曲变形趋势和减少挂渣量。
专利CN110502822A提供一种将悬垂角度约束与SIMP方法结合的思路，能够有效遏制需要支撑的悬垂结构出现，避免支撑结构的添加，有效降低耗材使用量和成本，提高工件表面质量。
基于以上各种专利的描述，或多或少都解决了悬垂结构制造困难的问题。但是各个专利的功能实现都具有一定的局限，而且难以将数据处理以及实际生产过程统一起来提高效率。对于需求精细且结构复杂的悬垂结构，市面上还没有一种能从容应对的悬垂结构打印方法。
针对通用、稳定、高效等需求；本申请提供一种自适应生成支撑结构的增材制造分层切片方法。
针对上述问题，在原有自适应生成支撑结构的增材制造分层切片方法的基础上进行创新设计。
发明内容
本发明的目的在于提供一种自适应生成支撑结构的增材制造分层切片方法，以解决原有生产过程需要借助多种硬件的低效率、高消耗的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种自适应生成支撑结构的增材制造分层切片方法，该分层切片方法，其中具体包括：
A.数据结构的封装处理；
B.切片层轮廓的动态修改；
C.布尔合并运算生成支撑结构。
优选的，所述数据结构的封装处理采用通用的带孔多边形结构，即一个切片层可以有复数个轮廓构成，每个轮廓中可以有复数个孔。
采用上述技术方案，可灵活适应工件切片的整体形态。
优选的，所述数据结构的封装处理需要对三维几何模型进行点云数据的解析，得到可供操作的三维坐标点，之后采用已被广泛使用的平面切片方法，可以得到每一个层轮廓的点集。
优选的，所述数据结构的封装处理为了后续方法的顺利进行，定义一个带孔多边形的数据结构，规定如下：
①单个切片层由多个带孔多边形构成；
②每个带孔多边形有且只有一个外轮廓，但可以拥有0个或0个以上的孔洞；
③外轮廓的坐标排序为逆时针，孔洞排序则反之。
采用上述技术方案，在每一个步骤中都能保证数据的稳定性，且易于修改以及操作，灵活性强。
优选的，所述切片层轮廓的动态修改，为了让所得的新轮廓能够尽可能的节省材料，运算之前需要对被合并的切片层进行轮廓偏置，制造出与水平方向夹角小于特定角度的悬垂结构。
采用上述技术方案，在没有任何支撑的情况下，增材制造技术可以制造出与水平方向夹角小于特定角度的悬垂结构，基于这个结论，本方法结合轮廓偏置思想作进一步的优化从而节约耗材。
优选的，所述切片层轮廓的动态修改，需要进行结果预判断，主要作为针对轮廓偏置中可能会出现的特征丢失等问题所采取的一个保险措施，此时应该适当调整偏置参数，以维持成型结果的稳定。
优选的，所述布尔合并运算生成支撑结构通过二维图形的布尔合并运算实现，具体为将相邻两切片层实行此运算。
采用上述技术方案，让新轮廓既保留了旧轮廓的特征，又补足了支撑的部分，以此达到直接生产的目的。
优选的，所述布尔合并运算生成支撑结构中，确定合并层以及被合并层至关重要，规定位于上方的切片层为合并层，位于下方的切片层为被合并层，其次运算的顺序为自顶向下，直至算法检测到当前层为最底层并停止更新。
优选的，所述布尔合并运算生成支撑结构首先选取其中一个切片层的第一个点，并按顺序依次读取，直至遇到两个切片层的交点，此时跳转到另一个切片层继续读取，以此类推，直至读取到第一个点，此时第一个轮廓构建完毕；
然后判断该切片层是否还有未读取过的点，如果有，重复以上操作，如果所有点都已读取完毕，那么终止循环，并将所有轮廓整合构出一个新的切片层。
采用上述技术方案，孔洞以及外轮廓的坐标排序不会被改变，每个轮廓的属性能得到很好的保留。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：该自适应生成支撑结构的增材制造分层切片方法，
1、将支撑结构的建立整合到增材制造的分层切片步骤中，大大提高了生产的效率，并且在运算过程中始终保证数据结构的稳定，确保了成型精度，在引入了轮廓偏置的概念后，材料的利用率也得到了保障；
2、解决悬垂结构制造困难的问题，将数据处理以及实际生产过程统一起来提高效率，对于需求精细且结构复杂的悬垂结构，达到通用、稳定、高效等需求解决原有生产过程需要借助多种硬件的低效率、高消耗的问题。
附图说明
图1为本发明切片层数据结构示意图；
图2为本发明偏置距离d的取值示意图；
图3为本发明特征丢失示意图；
图4为本发明并集布尔运算结果示意图；
图5为本发明布尔合并运算规则运算前示意图；
图6为本发明布尔合并运算规则运算后示意图；
图7为本发明工作原理整体流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
请参阅图1-6，本发明提供一种技术方案：一种自适应生成支撑结构的增材制造分层切片方法，该分层切片方法，其中具体包括：
A.数据结构的封装处理；
B.切片层轮廓的动态修改；
C.布尔合并运算生成支撑结构。
数据结构的封装处理采用通用的带孔多边形结构，即一个切片层可以有复数个轮廓构成，每个轮廓中可以有复数个孔，可灵活适应工件切片的整体形态。
在本方法实施之前，需要对三维几何模型进行点云数据的解析，得到可供操作的三维坐标点，之后采用已被广泛使用的平面切片方法，可以得到每一个层轮廓的点集。
数据结构的封装处理为了后续方法的顺利进行，定义一个带孔多边形的数据结构，规定如下：
①单个切片层由多个带孔多边形构成；
②每个带孔多边形有且只有一个外轮廓，但可以拥有0个或0个以上的孔洞；
③外轮廓的坐标排序为逆时针，孔洞排序则反之。
采用上述技术方案，在每一个步骤中都能保证数据的稳定性，且易于修改以及操作，灵活性强，结构如图1所示。
切片层轮廓的动态修改，为了让所得的新轮廓能够尽可能的节省材料，运算之前需要对被合并的切片层进行轮廓偏置，制造出与水平方向夹角小于特定角度的悬垂结构。
如图2所示，假定该材料所允许的夹角为α，且层厚为h，那么可知：
d＝h/tanθ
只要偏置的距离小于或者等于d，那么工件的打印过程中便不会出现坍塌问题。
在没有任何支撑的情况下，增材制造技术可以制造出与水平方向夹角小于特定角度的悬垂结构，基于这个结论，本方法结合轮廓偏置思想作进一步的优化从而节约耗材。
切片层轮廓的动态修改，需要进行结果预判断，主要作为针对轮廓偏置中可能会出现的特征丢失等问题所采取的一个保险措施，此时应该适当调整偏置参数，以维持成型结果的稳定。
该轮廓偏置有时会产生特征丢失的BUG，如图3所示，在该切片层偏置后，一个悬垂特征a由于宽度限制，被迫删除，从而导致之后错误的计算结果。为了解决这个问题，有如下原则：
①改变d的值使其等于当前d的0.8倍；
②若①操作后的d仍不能满足要求，重复①操作；
③当d<＝0.01时，取消偏置步骤，采用原始切片层进行并集布尔运算。
布尔合并运算生成支撑结构通过二维图形的布尔合并运算实现，具体为将相邻两切片层实行此运算。
让新轮廓既保留了旧轮廓的特征，又补足了支撑的部分，以此达到直接生产的目的。
在核心的支撑结构生成环节中，确定合并层以及被合并层至关重要，规定位于上方的切片层为合并层，结合图4所示，位于下方的切片层为被合并层，其次运算的顺序为自顶向下，直至算法检测到当前层为最底层并停止更新。
布尔合并运算的输入为上述所提到的带孔多边形，以图5为例，首先选取其中一个切片层的第一个点，并按顺序依次读取，直至遇到两个切片层的交点，此时跳转到另一个切片层继续读取，以此类推，直至读取到第一个点，此时第一个轮廓构建完毕；
然后判断该切片层是否还有未读取过的点，如果有，重复以上操作，如果所有点都已读取完毕，那么终止循环，并将所有轮廓整合构出一个新的切片层。
通过此方法，孔洞以及外轮廓的坐标排序不会被改变，每个轮廓的属性能得到很好的保留，图6展现了该方法的工作原理图。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术，尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (2)

1.一种自适应生成支撑结构的增材制造分层切片方法，其特征在于：该分层切片方法，其中具体包括：
A.数据结构的封装处理；
所述数据结构的封装处理需要对三维几何模型进行点云数据的解析，得到可供操作的三维坐标点，之后采用已被广泛使用的平面切片方法，可以得到每一个层轮廓的点集；
所述数据结构的封装处理为了后续方法的顺利进行，定义一个带孔多边形的数据结构，规定如下：
①单个切片层由多个带孔多边形构成；
②每个带孔多边形有且只有一个外轮廓，但可以拥有0个或0个以上的孔洞；
③外轮廓的坐标排序为逆时针，孔洞排序则反之；
B.切片层轮廓的动态修改；
所述切片层轮廓的动态修改，为了让所得的新轮廓能够尽可能的节省材料，运算之前需要对被合并的切片层进行轮廓偏置，制造出与水平方向夹角小于特定角度的悬垂结构；
所述切片层轮廓的动态修改，需要进行结果预判断，主要作为针对轮廓偏置中可能会出现的特征丢失等问题所采取的一个保险措施，此时调整偏置参数，以维持成型结果的稳定；
为了解决这个问题，有如下原则：
①改变偏置距离d的值使其等于当前d的0.8倍；
②若①操作后的d仍不能满足要求，重复①操作；
③当d<＝0.01dm时，取消偏置步骤，采用原始切片层进行并集布尔运算；
C.布尔合并运算生成支撑结构；
所述布尔合并运算生成支撑结构通过二维图形的布尔合并运算实现，具体为将相邻两切片层实行此运算；
所述布尔合并运算生成支撑结构中，确定合并层以及被合并层至关重要，规定位于上方的切片层为合并层，位于下方的切片层为被合并层，其次运算的顺序为自顶向下，直至算法检测到当前层为最底层并停止更新；
所述布尔合并运算生成支撑结构首先选取其中一个切片层的第一个点，并按顺序依次读取，直至遇到两个切片层的交点，此时跳转到另一个切片层继续读取，以此类推，直至读取到第一个点，此时第一个轮廓构建完毕；
然后判断该切片层是否还有未读取过的点，如果有，重复操作，如果所有点都已读取完毕，那么终止循环，并将所有轮廓整合构出一个新的切片层。
2.根据权利要求1所述的一种自适应生成支撑结构的增材制造分层切片方法，其特征在于：所述数据结构的封装处理采用通用的带孔多边形结构，即一个切片层可以有复数个轮廓构成，每个轮廓中可以有复数个孔。
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