CN115107138B - 面向针织纹理陶瓷的3d打印控制方法及系统 - Google Patents

面向针织纹理陶瓷的3d打印控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种面向针织纹理陶瓷的3D打印控制方法及系统，建立基于double‑loop的参数化正针打印路径和基于正弦波的参数化反针打印路径，并根据针的直径预测正针打印路径和反针打印路径的参数值；根据Gcode文件F计算模型的原始打印路径并将针织图案周期性地映射到路径原始打印路径上，用正针打印路径和反针打印路径代替原始打印路径中对应位置采样点之间的直线路径，生成单一连续的可用于陶瓷3D打印的新的打印路径；根据新的打印路径计算打印机参数，基于得到的参数对带有针织纹理的3D曲面模型进行陶瓷3D打印控制以得到3D曲面实物；可直接生成可用于陶瓷3D打印的G‑code文件，实现了更精准的针织纹理3D打印。

Description

面向针织纹理陶瓷的3D打印控制方法及系统
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，特别涉及一种面向针织纹理陶瓷的3D打印控制方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
陶瓷材料凭借其较高的强度和硬度以及良好的导热性和化学稳定性，被广泛应用于化工、机械和电子行业。然而由于陶瓷材料的硬度和脆性，对其直接进行机械加工非常困难。陶瓷3D打印将三维数字模型切片成若干二维平面后层层打印，大大缩短了制造周期，尤其适用于制造具有复杂几何结构的模型。
近年来，带有针织纹理的陶瓷艺术品凭借其独特的视觉艺术效果吸引了越来越多人的关注，而陶瓷3D打印则是生成带有针织纹理模型的有效制造方法。针织是一种传统的织物制造方法，其中正针(上针、平针)和反针(下针)两种基础针法可以组合生成丰富的纹理形状。
但是，发明人发现由于针线拓扑结构的复杂性针织纹理是一种曲率变化快速且几何形状复杂的细粒度纹理，在基于陶瓷3D打印的制造过程中，通常要求打印路径单一连续，而且陶泥一次性的挤出量较大，这些问题都阻碍了针织纹理的准确打印。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种面向针织纹理陶瓷的3D打印控制方法及系统，通过基于路径规划的参数化方法生成周期性针织纹理，建立了关于正针和反针打印路径参数的经验模型，根据给定针的直径和经验模型计算正针和反针路径参数值，并将该路径根据输入的针织图案周期性地映射到模型表面，操作较为简单，且提供了充足的设计空间和自由度，最终可直接生成可用于陶瓷3D打印的G-code文件，实现了更精准的针织纹理3D打印。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明第一方面提供了一种面向针织纹理陶瓷的3D打印控制方法。
一种面向针织纹理陶瓷的3D打印控制方法，包括以下过程：
获取针的直径、针织图案以及三维曲面模型的Gcode文件F；
建立基于double-loop的参数化正针打印路径和基于正弦波的参数化反针打印路径，并根据针的直径预测正针打印路径和反针打印路径的参数值；
根据Gcode文件F计算模型的原始打印路径并将针织图案周期性地映射到路径原始打印路径上，用正针打印路径和反针打印路径代替原始打印路径中对应位置采样点之间的直线路径，生成单一连续的可用于陶瓷3D打印的新的打印路径；
根据新的打印路径计算打印机参数，基于得到的参数对带有针织纹理的3D曲面模型进行陶瓷3D打印控制以得到3D曲面实物。
本发明第二方面提供了一种面向针织纹理陶瓷的3D打印控制系统。
一种面向针织纹理陶瓷的3D打印控制系统，包括：
数据获取模块，被配置为：获取针的直径、针织图案以及三维曲面模型的Gcode文件F；
打印路径生成模块，被配置为：建立基于double-loop的参数化正针打印路径和基于正弦波的参数化反针打印路径，并根据针的直径预测正针打印路径和反针打印路径的参数值；
打印路径更新模块，被配置为：根据Gcode文件F计算模型的原始打印路径并将针织图案周期性地映射到路径原始打印路径上，用正针打印路径和反针打印路径代替原始打印路径中对应位置采样点之间的直线路径，生成单一连续的可用于陶瓷3D打印的新的打印路径；
打印控制模块，被配置为：根据新的打印路径计算打印机参数，基于得到的参数对带有针织纹理的3D曲面模型进行陶瓷3D打印控制以得到3D曲面实物。
本发明第三方面提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本发明第一方面所述的面向针织纹理陶瓷的3D打印控制方法中的步骤。
本发明第四方面提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本发明第一方面所述的面向针织纹理陶瓷的3D打印控制方法中的步骤。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明所述的面向针织纹理陶瓷的3D打印控制方法及系统，在对针织纹理打印路径参数化建模时，设计了自交连续的double-loop正针打印路径和基于正弦波的反针打印路径，同时为了根据给定的针的直径直接计算出对应的打印路径参数，基于控制变量法设计了打印实验建立了用于计算路径参数的经验模型，将给定针织图案周期性地映射到三维模型表面后，将对应位置采样点之间的直线路径用对应的正针或者反针路径代替，生成单一连续的打印路径，最后结合打印机喷头移动速度和挤出量生成用于陶瓷3D打印的打印文件；本发明为用户提供了可编程的针织纹理生成机制且模型生成效率高、操作简单，能够有效生成可直接进行陶瓷3D打印的带有针织纹理的曲面的G-code文件，实现了更精准的带有针织纹理曲面的3D打印。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例1提供的面向陶瓷3D打印的针织模型生成方法流程图。
图2为本发明实施例1提供的针织图案和对应路径信息图示意图。
图3为本发明实施例1提供的正针纹理和反针纹理抽象图案示意图。
图4为本发明实施例1提供的正针和反针参数化打印路径示意图。
图5为本发明实施例1提供的路径信息图的周期性映射示意图。
图6中的(a)、(b)、(c)、(d)分别为本发明实施例1提供的输入的针织图案和从中提取的路径信息图、输入的三维曲面模型、带有参数化正针和反针打印路径的模型打印路径以及对应陶瓷3D打印的带有针织纹理的结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1：
如图1所示，本发明实施例1提供了一种面向陶瓷3D打印的针织模型生成方法，包括以下过程：
S1：用户输入针的直径Dneedle，针织图案Pattern以及三维曲面模型的Gcode文件F；
S2：建立基于double-loop的参数化正针打印路径和基于正弦波的参数化反针打印路径，并根据给定针的直径Dneedle预测正针和反针打印路径的参数值；
S3：基于F计算模型的原始打印路径P并将针织图案Pattern周期性地映射到路径P上，用S2中计算出的正针和反针参数化路径代替当前P中对应位置采样点之间的直线路径，生成单一连续的可用于陶瓷3D打印的打印路径P′；
S4：基于P′计算打印机喷头移动速度和挤出量等参数并对带有针织纹理的3D曲面模型进行陶瓷3D打印，得到3D曲面实物。
S1中，输入针的直径，针织图案以及三维曲面模型Gcode文件，具体包括：
用户输入针的直径Dneedle，针织图案Pattern以及三维曲面模型的Gcode文件F，并从针织图案Pattern中手动提取最小重复单元后将其中的正针用红色(即第一颜色)方格表示，反针用绿色(即第二颜色)方格表示，生成路径信息图Patternunit，如图2所示；
S2中，建立参数化正针打印路径和反针打印路径，并根据给定针的直径预测正针和反针打印路径的参数值从而控制打印针织纹理的大小，具体包括：
S2-1：如图3所示，将正针纹理抽象为宽度为Lk高度为Hk的V形图案，将反针纹理抽象为宽度为Lp高为Hp为半圆形图案。
S2-2：为得到V形和半圆形的陶瓷3D打印纹理，发明人提出了基于double-loop的正针打印路径和基于正弦波的反针打印路径，如图4所示，具体包括：
S2-2-1：将正针打印路径参数化表示为两个具有相同参数的共面且对称的平行四边形，这两个平行四边形沿曲面法线方向向外，控制该路径的参数为：AB的长度l，A′D′和打印机喷头移动方向的夹角β，AB(A′B′)和AD(A′D′)的夹角γ，基于B-Spline按ABCD和AIB′C′D′插值得到较光滑的正针纹理打印路径，打印后两个loop在陶泥重力作用下下垂分别形成V-形正针纹理的两个边；
S2-2-2：将反针打印路径参数化表示为正弦波曲线，振幅方向为沿曲面法线方向向外，控制该路径的参数为：正弦波周期t和振幅a，其中相邻打印层对应采样点之间的正弦波曲线相位相差半个周期；
S2-2-3：为保证单一连续的打印路径，正针纹理打印路径为ABCDAA′B′C′D′A′，反针纹理的打印路径为EFG。
S2-3：为了基于给定针的直径Dneedle控制打印的正针纹理的大小，建立Dneedle和正针纹理打印路径参数之间的计算模型，具体包括：
S2-3-1：基于控制变量法进行打印实验，如表1所示，将l、β和γ分别从小到大取五个值并保持其他参数固定以圆柱为输入模型进行打印实验，打印后测量对应打印纹理的Lk和Hk的值。
表1：打印实验各参数统计
Exp l(mm) β(rad) γ(rad) Lk(mm) Hk(mm)
1 3 π/10 π/6 9.75 2.64
2 3 2*π/10 π/6 8.09 2.67
3 3 3*π/10 π/6 7.33 3.92
4 3 4*π/10 π/6 6.19 4.83
5 3 5*π/10 π/6 5.06 5.31
6 3 π/4 π/10 8.24 3.84
7 3 π/4 2*π/10 8.37 3.77
8 3 π/4 3*π/10 8.69 3.88
9 3 π/4 4*π/10 8.76 3.73
10 3 π/4 5*π/10 9.72 3.50
11 2 π/4 π/3 7.35 3.21
12 2.5 π/4 π/3 8.51 3.51
13 3 π/4 π/3 8.44 3.34
14 3.5 π/4 π/3 9.73 4.22
15 4 π/4 π/3 9.78 4.20
S2-3-2：基于最小二乘法计算关于Lk和Hk的回归模型，如下所示：
Figure BDA0003660018310000071
Figure BDA0003660018310000072
为保证合理的打印结果，β取值范围是(0，3*π/10]，对于
Figure BDA0003660018310000073
其关于γ的p-value为0.92192，远大于0.05，所以γ和Hk之间没有明显的线性关系，计算时忽略。
S2-3-3：将正针纹理单元近似为宽度和高度均为针直径的V-形结构，所以在计算路径参数时Lk和Hk均设置为给定针的直径Dneedle，通过实验可知当γ取值为π/6多边形的其他边取值为1mm时打印效果较好，从而根据式(1)和式(2)可以计算对应l和β的值。
S2-4：为了基于给定针的直径Dneedle控制打印的反针纹理的大小，将宽度为Lp高为Hp的半圆形反针图案近似为直径为针的直径Dneedle的半圆，则正弦波周期t和振幅a的值分别为Dneedle和Dneedle/2。
S3中，将针织图案周期性地映射到模型表面，并用正针和反针参数化路径代替原始路径中对应位置采样点之间的直线路径，重新生成单一连续的带有针织纹理的打印路径，具体包括：
S3-1：从给定打印文件F中按照给定打印机打印层厚提取模型的水平轮廓，并将轮廓中采样点逐层用螺旋状曲线连接生成模型的原始打印路径P。
S3-2：基于给定针的直径Dneedle对P中采样点重采样，并将路径信息图Patternunit周期性地映射到路径P上，如图5所示；
S3-3：根据映射到路径P上的路径信息图用S2中计算出的正针和反针参数化路径代替P中对应位置采样点之间的直线路径，生成单一连续的可用于陶瓷3D打印的打印路径P′(即新的打印路径)；
S4中，基于P′计算打印机喷头移动速度和挤出量等参数并对带有针织纹理的3D曲面模型进行陶瓷3D打印，得到3D曲面实物；如图6中的(a)、(b)、(c)、(d)分别为输入的针织图案和从中提取的路径信息图，输入的三维曲面模型，带有参数化正针和反针打印路径的模型打印路径以及对应陶瓷3D打印的带有针织纹理的打印结果。
实施例2：
本发明实施例2提供了一种面向针织纹理陶瓷的3D打印控制系统，包括：
数据获取模块，被配置为：获取针的直径、针织图案以及三维曲面模型的Gcode文件F；
打印路径生成模块，被配置为：建立基于double-loop的参数化正针打印路径和基于正弦波的参数化反针打印路径，并根据针的直径预测正针打印路径和反针打印路径的参数值；
打印路径更新模块，被配置为：根据Gcode文件F计算模型的原始打印路径并将针织图案周期性地映射到路径原始打印路径上，用正针打印路径和反针打印路径代替原始打印路径中对应位置采样点之间的直线路径，生成单一连续的可用于陶瓷3D打印的新的打印路径；
打印控制模块，被配置为：根据新的打印路径计算打印机参数，基于得到的参数对带有针织纹理的3D曲面模型进行陶瓷3D打印控制以得到3D曲面实物。
此处需要说明的是，上述模块对应于实施例1中的步骤S1至S4，上述模块与对应的步骤所实现的示例和应用场景相同，但不限于上述实施例1所公开的内容。需要说明的是，上述模块作为系统的一部分可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。
实施例3：
本发明实施例3提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本发明实施例1所述的面向针织纹理陶瓷的3D打印控制方法中的步骤。
实施例1中的方法可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器、闪存、只读存储器、可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。为避免重复，这里不再详细描述。
实施例4：
本发明实施例4提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本发明实施例1所述的面向针织纹理陶瓷的3D打印控制方法中的步骤。
应理解，本实施例中，处理器可以是中央处理单元CPU，处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器DSP、专用集成电路ASIC，现成可编程门阵列FPGA或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
存储器可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器提供指令和数据、存储器的一部分还可以包括非易失性随机存储器。例如，存储器还可以存储设备类型的信息。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本实施例描述的各示例的单元即算法步骤，能够以电子硬件或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (5)

1.一种面向针织纹理陶瓷的3D打印控制方法，其特征在于：
包括以下过程：
获取针的直径、针织图案以及三维曲面模型的Gcode文件F；
建立基于double-loop的参数化正针打印路径和基于正弦波的参数化反针打印路径，并根据针的直径预测正针打印路径和反针打印路径的参数值；
根据Gcode文件F计算模型的原始打印路径并将针织图案周期性地映射到路径原始打印路径上，用正针打印路径和反针打印路径代替原始打印路径中对应位置采样点之间的直线路径，生成单一连续的可用于陶瓷3D打印的新的打印路径；
根据新的打印路径计算打印机参数，基于得到的参数对带有针织纹理的3D曲面模型进行陶瓷3D打印控制以得到3D曲面实物；
将正针纹理抽象为V形图案，基于double-loop的参数化正针打印路径，包括：
将正针打印路径参数化表示为两个具有相同参数的共面且对称的平行四边形ABCD和A′B′C′D′，两个平行四边形沿曲面法线方向向外；
AB的长度l，A′D′和打印机喷头移动方向的夹角β，AB和AD的夹角γ，A′B′和A′D′的夹角γ，基于B-Spline按ABCD和A′B′C′D′插值得到正针纹理打印路径，打印后两个loop在陶泥重力作用下下垂分别形成V形正针纹理的两个边；
V形图案的宽度为Lk，高度为Hk，基于最小二乘法得到Lk关于l、β和γ的回归模型以及Hk关于l和γ的回归模型，将Lk和Hk均设置为针的直径，根据回归模型得到l、β和γ的值；
将反针纹理抽象为半圆形图案，基于正弦波的参数化反针打印路径，包括：
将反针打印路径参数化表示为正弦波曲线，振幅方向为沿曲面法线方向向外，控制该路径的参数为：正弦波周期和振幅，其中相邻打印层对应采样点之间的正弦波曲线相位相差半个周期；
将宽度为Lp高为Hp的半圆形反针图案设置为直径为针的直径的半圆，正弦波周期的值等于针的直径，振幅的值分别为针的直径的一半；
从给定Gcode文件F中按照给定打印机打印层厚提取模型的水平轮廓，并将轮廓中采样点逐层用螺旋状曲线连接生成模型的原始打印路径；
基于给定针的直径对原始打印路径中采样点重采样，并将路径信息图周期性地映射到路径原始打印路径上；
根据映射到原始打印路径上的路径信息图，用正针和反针参数化路径代替原始打印路径中对应位置采样点之间的直线路径，生成单一连续的可用于陶瓷3D打印的新的打印路径。
2.如权利要求1所述的面向针织纹理陶瓷的3D打印控制方法，其特征在于：
路径信息图的生成，包括：
从针织图案中提取最小重复单元后将其中的正针用第一颜色方格表示，反针用第二颜色方格表示，生成路径信息图。
3.一种面向针织纹理陶瓷的3D打印控制系统，执行实现如权利要求1-2任一项所述的面向针织纹理陶瓷的3D打印控制方法，其特征在于：
包括：
数据获取模块，被配置为：获取针的直径、针织图案以及三维曲面模型的Gcode文件F；
打印路径生成模块，被配置为：建立基于double-loop的参数化正针打印路径和基于正弦波的参数化反针打印路径，并根据针的直径预测正针打印路径和反针打印路径的参数值；
打印路径更新模块，被配置为：根据Gcode文件F计算模型的原始打印路径并将针织图案周期性地映射到路径原始打印路径上，用正针打印路径和反针打印路径代替原始打印路径中对应位置采样点之间的直线路径，生成单一连续的可用于陶瓷3D打印的新的打印路径；
打印控制模块，被配置为：根据新的打印路径计算打印机参数，基于得到的参数对带有针织纹理的3D曲面模型进行陶瓷3D打印控制以得到3D曲面实物。
4.一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，其特征在于，该程序被处理器执行实现如权利要求1-2任一项所述的面向针织纹理陶瓷的3D打印控制方法中的步骤。
5.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-2任一项所述的面向针织纹理陶瓷的3D打印控制方法中的步骤。
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