CN114818248A - 一种针对增材制造的模型切片处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种针对增材制造的模型切片处理方法，包括：步骤1.将Z＝0平面定义为初始切片平面，并将模型位于Z＝0平面的截面质心定义为初始切片点。步骤2.将切片层厚定义为相邻两个切片点之间的距离，且切片层后参数是通过人为预先给定，每一层的切点为该层切片轮廓的质心，在动态随形切片算法中，当前层切片平面的位置和方向是在上一层的切片平面、切片点以及层后的基础上计算得出。本发明能够以较高精度完成对不同类型的模型进行动态多方向切片，证明了所开发的动态随形切片算法能够有效地完成对于STL格式的三维模型的多方向随形切片。

Description

一种针对增材制造的模型切片处理方法

技术领域

本发明属于材料成型技术领域，尤其涉及一种针对增材制造的模型切片 处理方法。

背景技术

传统的切片算法采用一系列固定间距的平行平面与STL模型相交，并 得到相交面。这里，平行平面即为切平面，平面的间距即为层厚，相交面 即为每层切片所得的轮廓。这种沿单一固定方向(通常定义为Z轴)，以 固定间距切片的策略是最早提出用于增材制造，也是目前应用最普遍的切 片算法。这种算法的优点在于切片处理过程十分简单，但存在较大的切片 误差，从而影响了零件制造的表面精度。

目前应用于增材制造的切片算法可以分为两类：单一固定方向切片算 法和多方向切片算法。其中，这两类根据切片处理中的技术特征又各自可 分为两种，如表3.1所示。

表3.1目前的切片算法总结与对比

表3.1目前的切片算法总结与对比

与本发明相关的现有技术一

Dolenc等人于1994年对传统算法进行了系统分析，介绍了该算法产生的台 阶效应，并首次提出了根据尖峰高度(Cusp height)控制切片层后的切片方法。 如下图1所示，单一切片方向的传统切片算法在对具有曲/斜线轮廓表面的模型 进行切片时，产生了明显的台阶效应；而台阶效应的程度可通过尖峰高度衡量。

现有技术一的缺点

如图1所示，STL模型表面与原始模型表面并不重合，即STL模型与 原始模型存在表达误差，这是由于STL模型中利用小三角形拟合原始模型 表面而存在的逼近误差。台阶效应不仅会降低增材制造的表面精度，同时 也会导致轮廓误差。图2(a)-图2(c)展示了台阶效应导致的表面误差 以及三种不同情况的轮廓误差。图2(a)为切片层包含整个模型轮廓，导 致实际打印处的实体尺寸大于模型尺寸。图2(b)则为切片层位于模型轮 廓之内，表现的误差我打印出的实体尺寸小于模型设计尺寸。图2(c)表 示切片层与模型轮廓互相包含，其误差形式为：切片层位于轮廓内的实体 部分尺寸小于模型设计尺寸；切片层包含模型轮廓所对应的实体部分尺寸 大于模型设计的尺寸。

与本发明相关的现有技术二

体积分解法，体积分解法是指首先将模型根据几何特征分解为几个子 模型，然后对这些子模型进行分别切片。Prabhjot Singh等人详细研究分 析了一种基于体积分解法的多方向切片策略，该策略通过沿定义的原始构 建方向投影轮廓边缘来识别模型的不可构建特征，然后采用基于轮廓边缘 的方法将零件分解为可构建和不可构建的子模型。

现有技术二的缺点

由于分解过程导致的计算复杂性、难以准确有效对复杂结构模型进行 分解、分解精度不足以及各子模型交接处的处理问题等，这些都使得基于 体积分解法的多方向切片算法不具备较好的适用性。

现有技术三的技术方案

中心线提取法。通过识别模型的中心线，并以中心线为依据对模型进 行多方向切片。Wang mingqian等人的工作比较典型，他们利用中心线提 取法开发出多方向切片算法，并构建了多自由度的FDM型3D打印系统， 验证了算法的可行性。Wang Mingqian等人提出的算法是先提取STL模型 中所有小三角形的顶点，然后采用平均曲率流方法从这些顶点中提取出一 系列的中心点，通过空间曲线拟合这些中心点则可得中心线，最后根据中 心线对模型进行多方向切片。

现有技术三的缺点

然而，目前用于提取中心线的方法，如平均曲率法(Mean curvature flow,MCF)[168-171]以及拓扑方法[172,173]，都难以十分精确地提取模 型的中心线，这给后续的切片以及增材制造都带来了较大的误差。如图3 (a)-图3(e)所示，为利用MCF对集中典型的、比较简单的模型进行中 心线提取的过程及结果，图中红色曲线即为最终所提取的模型中心线。由 图3(a)可知，在MCF提取中心线的过程中，模型会朝中心线“收缩”， 最终三维模型“收缩”为二维曲线，即为中心线。这种收缩激励使得这最 终得到的中心线比实际的中心线短，缺失了模型两端的信息，造成较大的 误差。图3(b)-图3(c)与图3(d)-图3(e)进一步展示了两种不同 模型的中心线提取结果，所提取的中心线同样存在比较严重的信息缺失现象。图4展示了利用MCF提取存在孔特征的模型时的结果(图中红色曲线 即为最终所提取而得的中心线)。由图可知，由于孔特征同时存在外表面 和内表面，在收缩过程中，内、外表面分别朝向对方收缩，最终所得的结 果与模型实际中心线完全不同，却提取中心线失败。由此可见，利用MCF 提取三维模型的中心线不仅存在较大的误差，而且对具有特殊特征的模型 无法正确识别、提取其中心线。因此，基于中心线提取的多方向切片算法 通常存在比较严重的精度问题以及较大的局限性。

发明内容

本发明的目的在于解决目前基于光固化成型的增材制造技术缺陷，一 是目前对STL模型的切片处理手段比较单一，大多采用沿单一方向的传统 切片策略，而现有的多方向(多自由度)切片算法通常不具普遍适用性， 精度欠佳或过于复杂等；此外，目前的切片算法缺少对每个切片层进行独 立处理的能力，二是物理系统运动自由度低，打印过程中缺乏运动灵活性 存在的缺陷，提供一种针对增材制造的模型切片处理方法。

本发明采用如下技术方案：

一种针对增材制造的模型切片处理方法，包括：

将Z＝0平面定义为初始切片平面，并将模型位于Z＝0平面的截面(即 为第一层的切片轮廓)质心定义为初始切片点；

将切片层厚定义为相邻两个切片点之间的距离，且切片层后参数是通 过人为预先给定。每一层的切点为该层切片轮廓的质心。在动态随形切片 算法中，当前层切片平面的位置和方向是在上一层的切片平面、切片点以 及层后的基础上计算得出。

建立一个以上一层切片点为球心(点0)，层厚为半径的球体。在球 体上选取点A0并使得A00垂直于上一层的切片平面；过点A0创建平面 P0使得OA0为其法向。

然后以一个很小的角度(τ)在球体表面分别沿X+，X-，Y+，Y-四个 方向移动点A0，产生四个新的点Ai(i＝0，1，2，……)，并过点Ai以0Ai 为法向创建平面Pi。这些平面Pi即为候选切片平面，根据最大平均夹角 规则选取这五个平面中的其中一个局部最优平面Pi。

按照同样的方法，在球面上以小角度τ沿四个方向移动点Ai，继续产 生四个新的点以及相对应的平面，并在五个候选平面中(四个新产生的平 面以及上一步产生的局部最优平面)计算出新的最优平面以更新局部最优 平面。依次计算，直到局部最优平面成为全局最优平面。而全局最优平面 即为当前层的切片平面。

上一层的切片平面和切片点的基础上确定当前层的切片平面后，可以 按照下述公式

其中，L代表质心坐标，M为切片轮廓上像素点的坐标，N为切片轮 廓中包含的像素点总数，计算出当前层切片轮廓的质心，即为当前层的切 片点。当前层的切片平面和切片点，下一层的切片平面和切片点也可按照 同样的方法获得，直至切片过程结束。

进一步的是，初始点A0经过移动后，0Ai不再垂直于上一层的切片平 面。

进一步的是，含有针对增材制造的模型切片处理方法程序的存储介质 的切片处理方法，其通过如下方式实现：

首先需要读入STL模型确定切片对象在三维坐标系中的所有几何信息。

对切片参数进行初始化。动态随形切片算法中的动态多方向切片以及 随形映射是两个相对独立的功能。动态多方向切片是一个迭代的过程，需 要通过前一层切片信息计算下一层的切片平面及切片点。在确定每一层的 切片平面及切片点之后，程序进一步计算、识别出各层的切片轮廓，并以 BMP位图格式输出；而各层切片点位置以及切片方向信息则以坐标形式保 存至TXT文件并输出。

进一步的是，初始化信息包括：切片层厚、像素尺寸、图片分辨率设 置等。

进一步的是，还包括随形映射，具体是在对两个模型(A模型和B模 型)进行分别切片处理的基础上进行的。通过切片处理后，能够分别得到 A模型和B模型的各切片轮廓及切片方向、切片点坐标等信息。经过逐层 比较两个模型的切片轮廓，将A模型各层切片轮廓按照B模型轮廓的形状 和尺寸逐层进行缩放、旋转，并将随形映射转换后的A模型各层切片轮廓 与B模型各层切片点及切片方向逐层对应并输出。

本发明的有益效果：

切片实验结果表明动态随形切片算法能够以较高精度完成对不同类 型的模型进行动态多方向切片，证明了所开发的动态随形切片算法能够有 效地完成对于STL格式的三维模型的多方向随形切片。

鉴于目前各类算法的局限性，提出了动态随形切片策略并实现了其算 法。动态随形切片算法也是一种多方向切片算法，但与体积分解法(后文 提及的相似方法)和中心线提取法(后文提及的相似方法)不同，动态随 形切片算法采用迭代方法，从第一层开始，依次迭代计算，直至切片结束。 因此，该算法避免了体积分解法的复杂性以及中心线提取法的误差，具有 较高切片效率和精度；同时，该算法还具备对每一层进行独立几何变换处 理的能力。

附图说明

图1为台阶效应及尖峰高度示意图；

图2(a)为切片层包含整个模型轮廓；

图2(b)为模型轮廓包含切片层；

图2(c)为轮廓与切片层相互包含；

图3(a)为MCF提取中心线的过程；

图3(b)、图3(c)为两个提取中心线的示例Ⅰ；

图3(d)、图3(e)为两个提取中心线的示例Ⅱ；

图4(a)-图4(b)为利用MCF提取空心圆管模型的中心线；

图5(a)为多方向切片思路示意图；

图5(b)为切片平面的计算过程示意图；

图6为动态随形算法中的迭代计算过程图；

图7为动态随形切片算法程序结构框架图；

图8为动态随形切片算法的软件界面；

图9(a)-图9(d)为多方向切片过程示意图；

图9(e)为多方向切片输出信息示意图；

图10(a)为弯曲实心管三维模型；

图10(b)为弯曲实心管三维模型动态随形切片算法产生的各层切片 点；

图10(c)为弯曲实心管三维模型各层切片平面的法方向；

图10(d)为弯曲实心管由两种切片算法产生的各层切片轮廓面积对 比；

图11(a)为弯曲空心矩阵管三维模型；

图11(b)为弯曲空心矩阵管三维模型动态随形切片算法产生的各层 切片点；

图11(c)为弯曲空心矩阵管三维模型各层切片平面的法方向；

图11(d)为弯曲空心矩阵管三维模型由两种切片算法产生的各层切 片轮廓面积对比；

图12(a)为变径三维模型图；

图12(b)为变径三维模型动态随形切片算法产生的各层切片点；

图12(c)为变径三维模型各层切片平面的法方向；

图12(d)为变径三维模型由两种切片算法产生的各层切片轮廓面积 对比；

图13为随形映射转换流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术 方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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 在没有作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。

动态随形切片算法所采用的多方向切片策略与现有的多方向切片策 略完全不同，其总体思路如下图5(a)-图5(b)所示。动态随形切片算 法的实现同样基于STL三维模型，并在笛卡尔三维坐标系中进行切片处理。 与传统切片算法不同，动态随形切片算法采用多方向切片，即切片平面的 法向量方向随着模型几何结构的变化而变化，从而使得增材制造的堆积方 向与模型的“生长方向”一致，以避免支撑结构的必要。

本发明的一种针对增材制造的模型切片处理方法，包括

在动态随形切片算法中，最关键的问题在于确定每层切片平面的位置 和方向。由于切片通常是从模型的Z＝0平面开始，因此将Z＝0平面定义为 初始切片平面，并将模型位于Z＝0平面的截面(即为第一层的切片轮廓) 质心定义为初始切片点，如图5(a)所示。

为了计算后续切片平面的位置和方向，将切片层厚定义为相邻两个切 片点之间的距离，且切片层后参数是通过人为预先给定。每一层的切点为 该层切片轮廓的质心。在动态随形切片算法中，当前层切片平面的位置和 方向是在上一层的切片平面、切片点以及层后的基础上计算得出。具体计 算过程如图5(b)所示，建立一个以上一层切片点为球心(点0)，层厚 为半径的球体。在球体上选取点A0并使得A00垂直于上一层的切片平面； 过点A0创建平面P0使得OA0为其法向。然后以一个很小的角度(τ) 在球体表面分别沿X+，X-，Y+，Y-四个方向移动点A0，产生四个新的点Ai(i＝0，1，2，……)，并过点Ai以0Ai为法向创建平面Pi。这些平面 Pi即为候选切片平面，根据最大平均夹角规则选取这五个平面中的其中一个局部最优平面Pi(最优平面的选取详见)。需要指出的是，初始点A0 经过移动后，0Ai不再垂直于上一层的切片平面。按照同样的方法，在球 面上以小角度τ沿四个方向移动点Ai，继续产生四个新的点以及相对应的 平面，并在五个候选平面中(四个新产生的平面以及上一步产生的局部最 优平面)计算出新的最优平面以更新局部最优平面。依次计算，直到局部最优平面成为全局最优平面。而全局最优平面即为当前层的切片平面。

上一层的切片平面和切片点的基础上确定当前层的切片平面后，可以 按照如下公式：

其中，L代表质心坐标，M为切片轮廓上像素点的坐标，N为切片轮 廓中包含的像素点总数，计算出当前层切片轮廓的质心，即为当前层的切 片点。因此，确定了当前层的切片平面和切片点，下一层的切片平面和切 片点也可按照同样的方法获得，迭代计算如图6所示，直至切片过程结束。

实施例

动态随形切片算法通过C#语言编译实现，下图7展示了程序的结构框 架。在开始切片处理之前，首先需要读入STL模型确定切片对象在三维坐 标系中的所有几何信息。

同时，对切片参数进行初始化，如切片层厚、像素尺寸、图片分辨率 设置等。动态随形切片算法中的动态多方向切片以及随形映射是两个相对 独立的功能。动态多方向切片是一个迭代的过程，需要通过前一层切片信 息计算下一层的切片平面及切片点。在确定每一层的切片平面及切片点之 后，程序进一步计算、识别出各层的切片轮廓，并以BMP位图格式输出； 而各层切片点位置以及切片方向信息则以坐标形式保存至TXT文件并输出。

随形映射是在对两个模型(A模型和B模型)进行分别切片处理的基 础上进行的。通过切片处理后，能够分别得到A模型和B模型的各切片轮 廓及切片方向、切片点坐标等信息。经过逐层比较两个模型的切片轮廓， 将A模型各层切片轮廓按照B模型轮廓的形状和尺寸逐层进行缩放、旋转， 并将随形映射转换后的A模型各层切片轮廓与B模型各层切片点及切片方 向逐层对应并输出。

如下图8所示，为动态随形切片算法的软件界面。所实现的软件算法 具有以下几个特点：

1)同时具备多方向切片功能和传统切片功能，提高软件适用性。

2)能够设置切片平面的大小，防止对复杂结构切片时产生干扰切片 轮廓。

3)具有Z轴偏移功能，能够灵活设置切片起始平面。

4)具有随形映射功能，增强光固化成型增材制造的实际应用能力。

动态多方向切片

采用动态随形切片算法进行多方向切片时，其切片过程示意及其输出 信息如下图9(a)-图9(e)所示。可见，在多方向切片过程中，切片平 面能够准确地根据当前几何结构动态调整其法方向；其输出信息包括：切 片轮廓BMP图片、每层曝光时间、切片点空间坐标信息以及每层切片平面 的法向量。

为了验证动态随形切片算法的有效性，分别对具有不同曲率、不同半 径以及不同截面特征的几种典型模型进行多方向切片，并与传统切片算法 进行了比较。测试实验均采用0.1mm切片层后。如下图10(a)-图10(d) 所示，为弯曲实心圆管模型多方向切片测试。多方向切片产生的各层切片 点如图10(b)所示，可见由切片点拟合而成的曲线与模型几何形状保持 一致，证明了动态随形切片算法的切片精度。图10(c)展示了利用动态 随形切片算法对图10(a)中模型进行切片时各层切片平面的法方向，清 楚地表达了切片过程中切片平面方向的变化。其中Ax、Ay、Az表示其法 向量分别与X、Y、Z轴的夹角。图10(d)则对比了分别由两种算法切片 产生的轮廓面积。由于模型的半径均匀，因此，由动态随形切片算法产生的每层轮廓面积相等，而又传统切片算法产生的轮廓面积则随切片位置的 变化而变化。

图11(a)-图11(d)与图12(a)-图12(d)分别为对弯曲空心矩 阵管模型以及变径变曲率模型的切片测试结果。根据图中结果可以发现， 动态随形切片算法在面对不同类型的均匀截面以及变截面的模型进行切 片时，计算的切片点都能准确地反应模型的几何形状。其次，切片平面能 够动态跟随模型几何形状并调整切片方向。因此，测试结果验证了动态随 形切片算法能够准确实现动态多方向切片功能，并具有较好的适用性。

随形映射转换

通过动态随形切片算法对STL模型进行切片处理，能够将三维模型分 解成一系列的二维轮廓。同时，利用切片过程中计算所得的轮廓各点几何 坐标信息以及轮廓所在切片平面的法方向信息，动态随形切片算法进一步 提供了随形映射的功能。随形映射是指将A模型的各层切片轮廓按照B模 型的各层切片轮廓形状及尺寸逐层进行缩放，并按照B模型各层切片轮廓 法方向逐层调整缩放后的A模型各层切片轮廓，从而形成同时具有A模型 截面几何信息，B模型切片轮廓形状、尺寸及切片方向的一系列新的离散 切片层。如图13所示经过随形映射处理之后，能够将A模型的截面几何 信息准备映射到B模型各切片层，使得动态随形切片算法对模型切片具备 更好的灵活性。随形映射转换能够使增材制造的应用更加灵活简便，例如 将某个三维结构通过随形映射，能够分别制造出符合不同形状与尺寸需求 的各种模型。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其 限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术 人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或 者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技 术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种针对增材制造的模型切片处理方法，其特征在于，包括：

步骤1.将Z＝0平面定义为初始切片平面，并将模型位于Z＝0平面的截面质心定义为初始切片点；

步骤2.将切片层厚定义为相邻两个切片点之间的距离，且切片层后参数是通过人为预先给定，每一层的切点为该层切片轮廓的质心，在动态随形切片算法中，当前层切片平面的位置和方向是在上一层的切片平面、切片点以及层后的基础上计算得出；

步骤3.建立一个以上一层切片点为球心，层厚为半径的球体，在球体上选取点A0并使得A00垂直于上一层的切片平面，过点A0创建平面P0使得OA0为其法向，然后以一个很小的角度τ在球体表面分别沿X+，X-，Y+，Y-四个方向移动点A0，产生四个新的点Ai，i＝0，1，2，……，并过点Ai以0Ai为法向创建平面Pi，这些平面Pi即为候选切片平面，根据最大平均夹角规则选取这五个平面中的其中一个局部最优平面Pi；

步骤4.按照同样的方法，在球面上以小角度τ沿四个方向移动点Ai，继续产生四个新的点以及相对应的平面，并在五个候选平面中计算出新的最优平面以更新局部最优平面，依次计算，直到局部最优平面成为全局最优平面，而全局最优平面即为当前层的切片平面；

步骤4.上一层的切片平面和切片点的基础上确定当前层的切片平面后，按照如下公式：

其中，L代表质心坐标，M为切片轮廓上像素点的坐标，N为切片轮廓中包含的像素点总数，计算出当前层切片轮廓的质心，即为当前层的切片点，当前层的切片平面和切片点，下一层的切片平面和切片点按照同样的方法获得，直至切片过程结束。

2.根据权利要求1所述的针对增材制造的模型切片处理方法，其特征在于，初始点A0经过移动后，0Ai不再垂直于上一层的切片平面。

3.根据权利要求1所述的针对增材制造的模型切片处理方法，其特征在于，五个候选平面包括四个新产生的平面以及上一步产生的局部最优平面。

4.根据权利要求1所述的针对增材制造的模型切片处理方法，其特征在于，含有针对增材制造的模型切片处理方法程序的存储介质的执行方法，包括：

步骤1.首先读入STL模型确定切片对象在三维坐标系中的所有几何信息；

步骤2.对切片参数进行初始化，分别执行动态多方向切片和随形映射，动态随形切片算法中的动态多方向切片以及随形映射是两个相对独立的功能；

步骤3.通过前一层切片信息计算下一层的切片平面及切片点，在确定每一层的切片平面及切片点之后，程序进一步计算、识别出各层的切片轮廓，并以BMP位图格式输出；而各层切片点位置以及切片方向信息则以坐标形式保存至TXT文件并输出；

步骤4.对两个模型，A模型和B模型进行分别切片处理的基础上进行的，通过切片处理后，能够分别得到A模型和B模型的各切片轮廓及切片方向、切片点坐标信息，经过逐层比较两个模型的切片轮廓，将A模型各层切片轮廓按照B模型轮廓的形状和尺寸逐层进行缩放、旋转，并将随形映射转换后的A模型各层切片轮廓与B模型各层切片点及切片方向逐层对应并输出。

5.根据权利要求4所述的针对增材制造的模型切片处理方法，其特征在于，初始化信息包括：切片层厚、像素尺寸、图片分辨率设置。

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