CN114701158B - 基于空间势场的等间距、无支撑曲面分层及打印方法 - Google Patents

基于空间势场的等间距、无支撑曲面分层及打印方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于3D打印相关技术领域，其公开了一种基于空间势场的等间距、无支撑曲面分层及打印方法，方法包括：将待制造零件的三维模型体素化；在体素模型中选取源点；为源点中的体素空间点A设置包围盒，将包围盒中与体素空间点A的距离小于第一预设值的体素空间点进行标记，并分别获取所有标记的体素空间点与体素空间点A的矢量，最终获得源点的体素空间场；在已标记的体素空间点中获取新源点；采用上述方式获得新源点的体素空间场；重复以上步骤，将所有的体素空间场叠加于同一坐标空间即可获得分层的体素模型。本申请可以实现任意曲面等间距分层，并实现无支撑制造。

Description

基于空间势场的等间距、无支撑曲面分层及打印方法
技术领域
本发明属于3D打印机计算机图形学相关技术领域，更具体地，涉及一种基于空间势场的等间距、无支撑曲面分层及打印方法。
背景技术
传统的3D打印经过长期的发展已非常成熟，该打印方式基于平面分层，路径规划相对简单，现阶段主要是针对工艺调控相关方面的研究，在针对复杂曲面模型时，传统平面制造主要存在如下缺点：(1)平面制造不可避免地会出现台阶效应，表面精度较差；(2)当打印基底为曲面(如圆柱面基底)时，采用平面制造无法规划其路径；(3)传统平面制造打印悬垂结构件时需要添加无用支撑，打印该支撑消耗更多的时间并且需要对支撑进行后续去除处理，影响表面精度。因此，基于等间距、无支撑制造的曲面分层技术成为3D打印领域近年来研究的热点之一。
针对悬臂结构，复杂曲面结构等零件的曲面分层，本领域人员提出了一些解决办法，中国专利CN2019108972269公开了一种基于模型体素化距离变换的增材制造方法，其通过对整个体素模型和单个切片层中的体素赋予距离标签，然后分别按照距离标签对切片层和切片层内的轨迹进行划分，最后获得熔融沉积成形轨迹，该方法对待成形零件的结构没有要求，适用范围广，普适性好，然而该曲面分层方法也存在一些问题，首先，通过计算整个体素模型到初始切片层的最小欧式距离作为该体素的距离标签，然后将距离标签相同的体素单元划分到同一层将会导致切片层间存在不等间距的问题，即模型表面某一点的曲面层归属由起始点的测地线距离决定，而非欧式距离决定。进一步地，由于喷头位姿的计算依赖于此曲面层，因此该专利所述方法也无法实现无支持制造，因而是一种不合理的曲面分层方式。
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空间势场的等间距、无支撑曲面分层及打印方法，可以实现任意曲面等间距分层，并实现无支撑制造。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于空间势场的等间距、无支撑曲面分层方法，所述方法包括：S1：将待制造零件的三维模型体素化，获得由体素空间点组成的待制造零件的体素模型；S2：选取所述体素模型中部分体素空间点作为源点；S3：为源点中的体素空间点A设置包围盒，将包围盒中与所述体素空间点A的距离小于或等于第一预设值的体素空间点进行标记，并分别获取所有标记的所述体素空间点与所述体素空间点A的矢量，以此方式，获得所述源点中所有体素空间点对应的矢量，最终获得所述源点的体素空间场；S4：遍历所述体素模型，当以一在步骤S3中已标记的体素空间点B为中心，边长为第二预设值的包围盒内存在未标记的体素空间点，则将所述体素空间点B设置为新源点，遍历所述体素模型获取所述体素模型中的所有新源点；S5：对所述新源点执行S3中操作获得所述新源点的体素空间场；S6：重复以上步骤S3～S5，将所有的体素空间场叠加于同一坐标空间即可获得分层的体素模型。
优选地，步骤S3中若体素空间点在多个包围盒中被标记，则将距离源点内体素空间点距离最小的矢量作为所述体素空间点与源点内体素空间点的矢量。
优选地，步骤S3中的包围盒为边长为2D的立方体或直径为2D的球体，其中所述源点中的体素空间点A设于所述包围盒的中心，D为打印喷头直径的1～1.5倍。
优选地，所述第一预设值为包围盒边长或直径的一半。
优选地，步骤S1具体为将待制造零件的三维模型的包围盒网格化，并对其中的模型实体部分和空体部分分别进行标记，其中模型实体部分的网格即为步骤S1中所述体素空间点。
优选地，所述空间势场在模型表面上任意两点间的距离为测地线距离。
按照本发明的另一个方面，提供了一种基于上述基于空间势场的等间距、无支撑曲面分层方法的打印方法，其特征在于，采用打印头基于所述分层模型进行分层打印，其中，所述打印头的位姿通过待打印体素空间点与其周围多个体素空间点之间的矢量并叉积获得。
优选地，所述打印头的路径通过所述体素模型的空间势场构建。
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，本发明提供的基于空间势场的等间距、无支撑曲面分层及打印方法：
1.通过体素获取分层后的矢量化分层模型，并将该分层模型设于坐标空间中，将体素空间点与源点间的矢量加上源点在坐标空间中的坐标即可获分层后模型的空间势场，只需根据打印层厚度指定空间势场中的特点位置的体素即可方便地进行等间距、无支撑的曲面分层，鲁棒性更好，制造方式更合理，可以适用于任意曲面的制造。
2.本申请通过体素表达空间势场，以空间势场作为增材制造的指导工具使得数据处理变的更为方便，首先通过该空间势场中指定打印厚便可以得到一系列等间距、无支撑的曲面层，并且通过修改初始源点便可以构建不同的空间势场，即不同的打印基底。从而避免了传统曲面切片需要进行模型分割、手动曲面分层或不等间距偏置分层等弊端。该基于体素的处理技术几乎不存在针对歧义情况、错误情况的容错处理，达到真正通用、健壮、高效、合理的曲面制造效果。
3.分层过程中的初始源点，可以人为根据需要设定，自由度高；打印过程中，由于曲面中处处等间距且连续变化，并且喷头的位姿可以由曲面层中某体素空间点的局部范围内的体素空间点得到，这样喷头连续变化、位姿实时调节，保证了打印时喷头的下方始终存在实体，实现等间距无支撑打印。
附图说明
图1是本申请实施例基于空间势场的等间距、无支撑曲面分层的步骤图；
图2是本申请实施例基于空间势场的等间距、无支撑曲面分层的流程图；
图3是本申请实施例初始源点的示意图；
图4是本申请实施例分层完成后的体素模型。
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。
请参阅图1及图2，本发明提供了一种基于空间势场的等间距、无支撑曲面分层方法，包括以下步骤S1～S6，具体步骤如下。
S1：将待制造零件的三维模型体素化，获得由体素空间点组成的待制造零件的体素模型。
将待制造零件的三维模型(例如，STL模型)的包围盒进行网格化，对其中的模型实体部分和空体部分分别进行标记，例如可以将实现实体部分的网格标记为1，将空体部分的网格标记为0，进而实现三维模型的体素化。本实施例中待制造零件为悬臂结构，体素化精度为0.1mm。
S2：选取所述体素模型中部分体素空间点作为源点。
源点的选取可以根据空间势场的具体构建要求进行计算或任意指定位于体素模型上某些特定体素空间点(如图3所示，下部黑色部分为初始源点)，将这些源点对应的体素空间点进行标记，例如，可以标记为255。
S3：为源点中的体素空间点A设置包围盒，将包围盒中与所述体素空间点A的距离小于或等于第一预设值的体素空间点进行标记，并分别获取所有标记的所述体素空间点与所述体素空间点A的矢量，以此方式，获得所述源点中所有体素空间点对应的矢量，最终获得所述源点的体素空间场；
本步用于计算源点“附近”区域的体素空间场。对于源点中的每个体素空间点进行处理，处理方式如下，对于源点中的体素空间点A设置包围盒，计算以体素空间点A包围盒内其他体素空间点到体素空间点A的距离，若该距离小于第一预设值，则对该体素空间点进行标记，例如可以标记为2，则该体素空间点到体素空间点A的矢量即为该体素空间点的体素空间场，其距离为体素空间场值，以此方式，不断遍历源点中的体素空间点，均为其设置包围盒，获取包围盒内到对应源点内体素空间点小于第一预设值的体素空间点，并获取各体素空间点到源点中体素空间点的矢量。
步骤S3中若体素空间点在多个包围盒中被标记，则将距离源点内体素空间点距离最小的矢量作为所述体素空间点与源点内体素空间点的矢量。也即同一体素空间点可能存在于多个源点中体素空间点的包围盒中，则将距离最短的矢量作为该体素空间点的最终矢量。
本实施例中边长为2D的包围盒中各个体素空间点到体素空间点A的距离为S，D＝3mm，若该距离S小于或等于D，则该体素标记为2，体素空间势场值f(x，y，z)＝S，不断遍历源点中的每个体素空间点，并根据距离值S的计算结果不断更新包围盒内每个体素空间点的体素空间场中的更小值，即对于包围盒中的非源点的体素空间点的体素空间势场值为f(x，y，z)＝Smin，直至遍历完整个源点中的体素，至此完成源点附近范围内体素空间势场的构建。
在进一步优选的实施例中，由于体素表达的空间势场分布与模型表面即边界条件有关，在增材制造中，当模型表面两点之间的测地线约为喷头直径时，认为该区域为小平面，通过喷头的一次打印即可覆盖该区域，即“附近”跟喷头直径d正相关，默认包围盒为边长为2D的立方体或直径为2D的球体，其中所述源点中的体素空间点A设于所述包围盒的中心，D为打印喷头直径的1～1.5倍。进一步的，所述第一预设值为包围盒边长或直径的一半。
S4：遍历所述体素模型，当以一在步骤S3中已标记的体素空间点B为中心，边长为第二预设值的包围盒内存在未标记的体素空间点(也即原始标记为1的实体部分)，则将所述体素空间点B设置为新源点，遍历所述体素模型获取所述体素模型中的所有新源点。
遍历体素模型，当某个体素空间点标记为2，若以该体素空间点为中心，边长为第二预设值的包围和中存在未标记的体素空间点，也即标记为1但未被标记为2的体素空间点时，则将该体素空间点作为待搜索的新源点，也将其标记为255，并继续遍历，直到完成整个体素空间的遍历，即可得到所有待搜索的新源点。
S5：对所述新源点执行S3中操作获得所述新源点的体素空间场。
S6：重复以上步骤S3～S5，将所有的体素空间场叠加于同一坐标空间即可获得分层的体素模型(如图4所示)。
叠加后整个体素模型的即进行矢量化，以整个体素模型的表面作为空间势场的边界约束条件，场中的任意一点具有自己的空间势场值，该空间势场值的计算方法为源点包围盒内的体素空间点到源点的距离加上该源点在坐标空间中的空间场值。进一步优选的，该空间势场在模型表面上任意两点间的距离表现为测地线距离。
该体素表达的空间势场不是连续的，连续空间势场是模型中空间位置的函数，由模型的边界条件决定，需要通过积分的办法确定。增材制造领域中当体素精度约为喷头直径的1/10～1/5时，已满足制造精度要求。
因为与“源点”的距离小于喷头直径的附近体素空间点可以在打印中被覆盖，因此以该距离作为该体素表达的空间势场值是准确的。而与“源点”的距离大于喷头直径的体素表达的空间势场值是不准确的，因此对这些体素孔点不再进行当前“源点”范围内的搜索与计算，而进行后续计算。后续计算也较为简单，即将“新源点”作为当前搜索源，进行上述重复的搜索与计算，再次得到后续体素空间点的空间势场值。这样不断迭代推进，在同一坐标空间中对体素空间势场进行叠加，即可得到整个模型的体素空间势场。从上述定义及说明可以看出，体素精度值越小，“附近点”越近，计算出的空间势场越精确。
本实施例中只需要令曲面切片层的厚度d＝D，也即为3mm，此时提取出的一层层源点即为待求的一系列曲面层，曲面层的获取原理保证了层间处处等间距。
本申请另一方面提供了一种基于上述基于空间势场的等间距、无支撑曲面分层方法的打印方法，采用打印头基于所述分层模型进行分层打印，其中，所述打印头的位姿通过待打印体素空间点与其周围多个体素空间点之间的矢量并叉积获得，位姿正向取材料堆积方向，即与该点空间场的矢量方向近乎相同(由于体素存在误差，两者方向并不一定完全相同)，这样可保证无支撑制造。所述打印头的路径通过所述体素模型的空间势场构建。
本申请提出的基于空间势场的等间距、无支撑曲面分层及打印方法为悬臂结构、复杂曲面结构的等间距无支撑曲面分层提供了新思路。
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 (3)

1.一种基于空间势场的等间距、无支撑曲面分层方法的打印方法，其特征在于，采用打印头基于所述分层模型进行分层打印，其中，所述打印头的位姿通过待打印体素空间点与其周围多个体素空间点之间的矢量并叉积获得；
所述分层方法包括：
S1：将待制造零件的三维模型体素化，获得由体素空间点组成的待制造零件的体素模型；
S2：选取所述体素模型中部分体素空间点作为源点；
S3：为源点中的体素空间点A设置包围盒，将包围盒中与所述体素空间点A的距离小于或等于第一预设值的体素空间点进行标记，并分别获取所有标记的所述体素空间点与所述体素空间点A的矢量，以此方式，获得所述源点中所有体素空间点对应的矢量，最终获得所述源点的体素空间场；
S4：遍历所述体素模型，当以一在步骤S3中已标记的体素空间点B为中心，边长为第二预设值的包围盒内存在未标记的体素空间点，则将所述体素空间点B设置为新源点，遍历所述体素模型获取所述体素模型中的所有新源点；
S5：对所述新源点执行S3中操作获得所述新源点的体素空间场；
S6：重复以上步骤S3~S5，将所有的体素空间场叠加于同一坐标空间即可获得分层的体素模型；
步骤S3中若体素空间点在多个包围盒中被标记，则将距离源点内体素空间点距离最小的矢量作为所述体素空间点与源点内体素空间点的矢量；
步骤S3中的包围盒为边长为2D的立方体或直径为2D的球体，其中所述源点中的体素空间点A设于所述包围盒的中心，D为打印喷头直径的1~1.5倍；
所述第一预设值为包围盒边长或直径的一半；
步骤S1具体为将待制造零件的三维模型的包围盒网格化，并对其中的模型实体部分和空体部分分别进行标记，其中模型实体部分的网格即为步骤S1中所述体素空间点。
2.根据权利要求1所述的打印方法，其特征在于，所述空间势场在模型表面上任意两点间的距离为测地线距离。
3.根据权利要求1所述的打印方法，其特征在于，所述打印头的路径通过所述体素模型的空间势场构建。
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