CN114986910B - 一种用于回转结构的柱面分层3d打印方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于回转结构的柱面分层3D打印方法,首先建立模型并将模型转化为STL格式;然后以圆柱的径向为分层方向对模型进行分层处理,之后计算出所有三角面片和圆柱面层的交线,再将所有的交线首尾相连,通过分析处理,得到该圆柱面层的轮廓曲线;最终得到所有圆柱面的轮廓线;之后规划圆柱面打印的路径,先打印圆柱面的的边界,然后填充边界内部,用和母线成一定角度的圆柱面曲线和轮廓曲线相交,得到两个交点,之后在交点内部进行打印;最后将路径导入到多自由度系统,与打印装置相互配合,在圆柱面上打印出理想的形状。该方法可以有效的解决梯形效应,提高表面精度,增强零件的性能。
Description
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域,尤其是一种用于回转结构的柱面分层3D打印方法。
背景技术
回转结构是机械零件中一种典型的结构形式,在航空航天、汽车、精密设备等领域应用非常广泛。3D打印是一种新型的制造工艺方法,与传统减材和等材制造工艺相比,具有生产周期短、成本低和自动化程度高等优点,可以实现回转结构的快速制造。然而,现有3D打印的分层和路径规划方法难以实现回转结构的高精度高性能制造。
目前,3D打印工艺大多采用平面或曲面分层的方法,平面分层是通过对三维模型进行平面切片得到每一层的轮廓信息,然后规划平面的填充方式和工艺参数,得到打印路径。然而,平面分层3D打印制造的零件容易产生阶梯效应,严重降低零件的成型精度和表面质量,同时还影响零件的力学性能。
曲面分层方法是根据零件模型外表面进行偏置形式进行分层,在每个曲面层上进行路径规划,再配合多轴打印机完成曲面结构的3D打印。曲面分层很好的改善了传统的平面分层的固有缺陷。但是现有曲面分层方法一般采用曲面偏置进行切层,通用性和稳定性差,只适用轻微弯曲的薄壁状结构,不能解决复杂模型的切层问题。此外,曲面分层的算法复杂,当要处理的模型时,会占用较大的储存空间,处理运算时间较长,难以满足回转结构的制造需求。因此亟需发展一种用于柱面分层3D打印方法,这对推动回转结构应用和3D打印技术发展具有重要的意义。
发明内容
为了克服现有技术中存在的上述问题,本发明提出一种用于回转结构的柱面分层3D打印方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种用于回转结构的柱面分层3D打印方法,具体包括如下步骤:
步骤1,导出STL格式文件;
步骤2,对模型进行分层处理:将模型分为厚度相等的圆柱面层M1,M2,M3……Mi,每一个圆柱面层的半径为Ri=rmin+ih;
步骤3,求出STL模型三角面片及面层交线:计算出STL文件中所有三角面片和面层M1的所有交点,将求出的所有交点以曲线的形式两两连接,形成STL模型与面层M1的交线;
步骤4,求出面层M1的轮廓曲线:将步骤3中求出的所有交线进行首尾相连,通过分析处理得到面层M1的轮廓曲线;
步骤5,求出所有面层的轮廓曲线:重复步骤3、4,求出所有面层的轮廓曲线;
步骤6,打印路径规划;
步骤7,路径导入多自由度系统:将步骤6所得的打印路径导入多自由度3D打印系统,根据路径信息,多自由度运动机构带动喷头运动,3D打印模块配合动作,完成多自由度3D打印;
所述步骤6中打印路径规划分为打印边界和打印边界内部两部分,所述打印边界按照步骤5求出的轮廓曲线进行打印,所述打印边界内部是先求出边界与预设打印轨迹的交点,在交点之间进行Z字打印。
上述的一种用于回转结构的柱面分层3D打印方法,所述步骤1中导出STL格式文件后需要对文件进行缺陷检查,对于STL文件中网格不完全为三角形单元的,使用修复软件进行网格三角化。
上述的一种用于回转结构的柱面分层3D打印方法,所述步骤3中计算三角面片与面层M1交点的具体过程包括:
步骤3.1.1,三角面片的三个顶点为A(xa,ya,za),B(xb,yb,zb),C(xc,yc,zc),回转结构母线为Z轴,半径为R1,线段AB可以用如下参数方程表示:
其中,t为待求参数;
步骤3.1.2,根据圆柱面层的方程x2+y2=R1 2,得到面层M1的方程为
[xa+t*(xb-xa)]2+[ya+t*(yb-ya)]2=R1 2
根据二次方程求根公式可得到参数t1、t2;
步骤3.1.3,根据步骤3.1.2求得的参数t1、t2,可得到交点P1(xp1,yp1,zp1),P2(xp2,yp2,zp2)
步骤3.1.4,重复步骤3.1.1-3.1.3将三角面片三边与面层M1的所有交点求解出来。
上述的一种用于回转结构的柱面分层3D打印方法,所述步骤3中三角面片及面层M1的交线方程求解过程为:
步骤3.2.1,将步骤3.1.3中的所得交点由直角坐标系转化为柱坐标系P1(up1,vp1),P2(up2,vp2),交线方程为:
其中,u代表柱面上点在XOY轴投影与x轴的夹角,v表示柱面上点的高度;
步骤3.2.2,将步骤3.1.4中求出的所有交点按照步骤3.2.1的过程求解出所有交线方程。
上述的一种用于回转结构的柱面分层3D打印方法,所述步骤6中打印边界内部路径规划步骤包括:
步骤6.1,求解面层M1预设打印轨迹与轮廓曲线的交点:将预设打印轨迹方程v=(R1 tanθ)u-R1 tanθnα和面层M1的轮廓曲线方程联立求出第n个曲线和轮廓曲线的交点,记为Qn1(un1,vn1),Qn2(un2,vn2),其中θ为打印路径与母线夹角,w为打印宽度,n为整数,取值范围为/>
步骤6.2,喷嘴从Q11开始运动,先在第1条曲线和轮廓曲线交点之间移动,即从Q11移动过到Q12.喷嘴再绕母线转动α,转到第2条曲线上,再在第2条曲线和轮廓曲线交点之间移动,不断重复,直到整个面层M1打印路径全部规划完成;
步骤6.3,重复步骤6.1-6.2,直至整个圆柱面层打印路径全部规划完成。
本发明的有益效果是,与现有的3D打印分层方法相比,本方法采用柱面分层的方法,3D打印出回转结构的零件,本发明在3D打印回转结构零件时可以根据制造工艺要求采用不同的打印角度打印柱面零件,根据本方法打印出的回转结构零件有效改善了“阶梯效应”,减少零件表面的粗糙度。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明柱面3D打印路劲生成方法的工艺流程图;
图2是本实施例建立的三维模型;
图3是本实施例圆柱面上交线连接示意图;
图4是本实施例求出的轮廓线;
图5是本实施例n条曲线和轮廓线交点示意图;
图6是本实施例α的示意图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案,下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。
本实例以FDM工艺为基础进行打印连续纤维增强复合材料圆柱空心管,待打印模型如图2,具体打印过程如图1所示,包括:
步骤1,导出STL格式:绘制待加工零件的模型,图2所示,将模型导出为STL格式文件,并且使用Magics软件对STL格式文件进行修复,将STL文件变为全部由三角网格组成;
步骤2,对模型进行分层处理:以圆柱的径向为分层方向,确定圆柱模型的最小直径rmin和最大直径rmax,分层厚度为h,将模型分成厚度相等的圆柱面层,分别记为M1,M2,M3……Mi,其中每一个圆柱面层的半径为Ri=rmin+ih;
步骤3,求出STL模型三角面片及面层交线:计算出STL文件中所有三角面片和面层M1的所有交点,将求出的所有交点以曲线的形式两两连接,形成STL模型与面层M1的交线;
计算三角面片与面层M1交点的具体过程包括:
步骤3.1.1,三角面片的三个顶点为A(xa,ya,za),B(xb,yb,zb),C(xc,yc,zc),回转结构母线为Z轴,半径为R1,线段AB可以用如下参数方程表示:
其中,t为待求参数;
步骤3.1.2,根据圆柱面层的方程x2+y2=R1 2,得到面层M1的方程为
[xa+t*(xb-xa)]2+[ya+t*(yb-ya)]2=R1 2
根据二次方程求根公式可得到参数t1、t2;
步骤3.1.3,根据步骤3.1.2求得的参数t1、t2,可得到交点P1(xp1,yp1,zp1),P2(xp2,yp2,zp2)
步骤3.1.4,重复步骤3.1.1-3.1.3将三角面片三边与面层M1的所有交点求解出来。
步骤3中三角面片及面层M1的交线方程求解过程为:
步骤3.2.1,将步骤3.1.3中的所得交点由直角坐标系转化为柱坐标系P1(up1,vp1),P2(up2,vp2),交线方程为:
其中,u代表柱面上点在XOY轴投影与x轴的夹角,v表示柱面上点的高度;
步骤3.2.2,将步骤3.1.4中求出的所有交点按照步骤3.2.1的过程求解出所有交线方程。
步骤4,求出面层M1的轮廓曲线:将步骤3中求出的所有交线进行首尾相连,通过分析处理得到面层M1的轮廓曲线;
步骤5,求出所有面层的轮廓曲线:重复步骤3、4,求出所有面层的轮廓曲线,本实例的轮廓曲线如图4;
步骤6,打印路径规划:在圆柱面上进行3D打印一共分为两步,先打印圆柱面上的边界,然后再填充边界内部;
圆柱面上的边界路径规划:边界就是步骤五求出轮廓线,轮廓线是由步骤3求出的不同的交线组成,每一层边界的打印路径就是这些交线的方程的集合。
边界内部路径规划:
(1)将预设打印轨迹方程v=(R1 tanθ)u-R1 tanθnα和面层M1的轮廓曲线方程联立求出第n个曲线和轮廓曲线的交点(如图5所示),记为Qn1(un1,vn1),Qn2(un2,vn2),其中(如图6所示),θ为打印路径与母线夹角,w为打印宽度,n为整数,取值范围为/>
(2)控制喷嘴从Q11开始移动,喷嘴的移动轨迹是第一条曲线:v=(R1 tanθ)u-R1tanθα,从Q11移动到Q12,再让喷嘴绕着母线转动α,即转到第二条曲线上,再从Q21移动到Qv22,不断重复直到整个圆柱面层打印路径全部规划完成。
步骤7,路径导入多自由度系统:将步骤6所得的打印路径导入多自由度3D打印系统,根据路径信息,多自由度运动机构带动喷头运动,3D打印模块配合动作,完成多自由度3D打印。
以上实施例仅为本发明的示例性实施例,不用于限制本发明,本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内,对本发明做出各种修改或等同替换,这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。
Claims (2)
1.一种用于回转结构的柱面分层3D打印方法,其特征在于,具体包括如下步骤:
步骤1,导出STL格式文件;
步骤2,对模型进行分层处理:将模型分为厚度相等的圆柱面层M1,M2,M3……Mi,每一个圆柱面层的半径为;
步骤3,求出STL模型三角面片及面层交线:计算出STL文件中所有三角面片和面层M1的所有交点,将求出的所有交点以曲线的形式两两连接,形成STL模型与面层M1的交线;
步骤4,求出面层M1的轮廓曲线:将步骤3中求出的所有交线进行首尾相连,通过分析处理得到面层M1的轮廓曲线;
步骤5,求出所有面层的轮廓曲线:重复步骤3、4,求出所有面层的轮廓曲线;
步骤6,打印路径规划;
步骤7,路径导入多自由度系统:将步骤6所得的打印路径导入多自由度3D打印系统,根据路径信息,多自由度运动机构带动喷头运动,3D打印模块配合动作,完成多自由度3D打印;
所述步骤6中打印路径规划分为打印边界和打印边界内部两部分,所述打印边界按照步骤5求出的轮廓曲线进行打印,所述打印边界内部是先求出边界与预设打印轨迹的交点,在交点之间进行Z字打印;
所述步骤3中计算三角面片与面层M1交点的具体过程包括:
步骤3.1.1,三角面片的三个顶点为,回转结构母线为Z轴,半径为R1,线段AB可以用如下参数方程表示:
其中,t为待求参数;
步骤3.1.2,根据圆柱面层的方程,得到面层M1的方程为
根据二次方程求根公式可得到参数t1、t2;
步骤3.1.3,根据步骤3.1.2求得的参数t1、t2,可得到交点,
;
步骤3.1.4,重复步骤3.1.1-3.1.3将三角面片三边与面层M1的所有交点求解出来。
所述步骤3中三角面片及面层M1的交线方程求解过程为:
步骤3.2.1,将步骤3.1.3中的所得交点由直角坐标系转化为柱坐标系,,交线方程为:
其中,代表柱面上点在XOY轴投影与x轴的夹角,/>表示柱面上点的高度;
步骤3.2.2,将步骤3.1.4中求出的所有交点按照步骤3.2.1的过程求解出所有交线方程。
所述步骤6中打印边界内部路径规划步骤包括:
步骤6.1,求解面层M1预设打印轨迹与轮廓曲线的交点:将预设打印轨迹方程和面层M1的轮廓曲线方程联立求出第n个曲线和轮廓曲线的交点,记为/>,其中/>,/>为打印路径与母线夹角,/>为打印宽度,/>为整数,取值范围为/>(/>);
步骤6.2,喷嘴从Q11开始运动,先在第1条曲线和轮廓曲线交点之间移动,即从Q11移动过到Q12,喷嘴再绕母线转动,转到第2条曲线上,再在第2条曲线和轮廓曲线交点之间移动,不断重复,直到整个面层M1打印路径全部规划完成;
步骤6.3,重复步骤6.1-6.2,直至整个圆柱面层打印路径全部规划完成。
2.根据权利要求1所述的一种用于回转结构的柱面分层3D打印方法,其特征在于,所述步骤1中导出STL格式文件后需要对文件进行缺陷检查,对于STL文件中网格不完全为三角形单元的,使用修复软件进行网格三角化。
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