CN115157681A - 一种弯曲管状肠瘘补片五轴无支撑3d打印方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种弯曲管状肠瘘补片五轴无支撑3D打印方法，首先根据肠瘘走向建立个性化弯管模型并保存为STL格式，之后，根据STL文件数据提取模型的骨架点数据，并采用插值算法对其进行致密化处理。然后，对密集骨架点数据进行等间距稀疏化处理。根据当前骨架点坐标及其与前一骨架点形成矢量方向，确定当前切平面数学方程，并根据该方程与STL数据得到切平面与模型的相交点，该相交点集合构成单层轮廓内、外环。之后，通过轮廓内外环的平移，生成模型每层的增材轮廓环。最后，对每层轮廓环进行空间旋转变换，得到机器运动信息，生成弯曲管状肠瘘补片五轴3D打印机的运动及挤出的G代码。本发明能够实现弯曲管状肠瘘补片的五轴无支撑3D打印。
Description
技术领域
本发明涉及五轴3D打印技术领域，具体涉及一种弯曲管状肠瘘补片五轴无支撑3D打印方法。
背景技术
3D打印技术是通过CAD设计数据采用材料逐层累加的方法制造实体零件的技术，这种制造技术无需传统的切削刀具或和铸造模具，能够制造传统工艺难以或无法加工的复杂结构零件，并且可以有效简化生产工序，缩短制造周期。
现有的弯曲管状补片的制作方式多采用模具铸造和传统3D打印方式，铸造方式存在工艺复杂和制作周期长等弊端。
传统3D打印成型弯管状悬臂结构时，存在着严重的“台阶效应”和大量的支撑结构等弊端，“台阶效应”会影响打印的管状补片气密性，大量的支撑结构的去除不但耗时、耗力、耗材料，而且还会还会损害打印零件的表面质量，除此之外，对于含有大量孔洞的悬臂模型，孔洞内部的支撑结构甚至无法去除。
五轴3D打印是在传统3D打印技术的基础上增加了用于自适应调节打印平台位姿的两个旋转轴，五轴打印技术是为最大限度的改善传统3D打印技术的“台阶效应”和消除支撑结构而提出的，目前已实现的弯管状补片五轴3D打印技术侧重于规则的含有简单骨架线公式的弯管模型的打印，由于不规则的弯管模型的骨架线公式很复杂且难以得到，因此对于不规则的管状很难实现打印。
公开号CN 107825701 A公开了一种基于五轴打印平台的无支撑3D打印方法，但是，该方法采用先分割模型，然后再将复杂模型分割成简单的模型后，采用传统的水平面切片的方式进行切片，而弯曲管状结构无法按照该方法分割成子模型，若采用该方法使用传统的水平面切片的方式会产生大量的支撑结构，因此该方法无法打印弯曲管状结构。
发明内容
针对现有肠瘘补片3D打印技术的不足，本发明提出了一种弯曲管状肠瘘补片五轴无支撑3D打印方法，该打印方法能够实现弯曲管状肠瘘补片的五轴无支撑3D打印，省去了支撑结构，同时提高弯曲管状肠瘘补片成型质量。
为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种弯曲管状肠瘘补片五轴无支撑3D打印方法，包括以下步骤：
第一步：根据肠瘘走向，在计算机辅助设计软件中设计弯曲管状肠瘘补片模型，并将所述弯曲管状肠瘘补片模型以STL文件格式存储；
第二步：读取弯曲管状肠瘘补片模型的STL格式文件，提取弯曲管状肠瘘补片模型的骨架点数据；
第三步：对提取到的骨架点数据进行密集插值，得到骨架点数据，根据骨架点数据，确定弯曲管状肠瘘补片模型的切平面方程；
第四步：通过第三步得到的切平面方程与第一步得到的弯曲管状肠瘘补片模型求交点，得到弯曲管状肠瘘补片模型每层的内、外轮廓环，并通过对轮廓环数据进行平移，得到弯曲管状肠瘘补片模型每层的增材轮廓环数据；
第五步：利用每层轮廓环打印接收平面的法向量，计算五轴3D打印机的摇摆轴和平台旋转轴的旋转角度；
第六步：将所述第四步得到的所述弯曲管状肠瘘补片模型每层的增材轮廓环数据按照第五步得到的所述摇摆轴、平台旋转轴旋转的角度进行空间坐标变换，并生成G代码；
第七步：将G代码传入五轴3D打印机，实现弯曲管状肠瘘补片的无支撑打印。
所述第三步中，相邻骨架点最大间距为0.5mm。
所述第三步中，还包括对所述骨架点进行等间距均匀化处理步骤，得到相邻骨架点距离相等的骨架点数据，根据均匀化处理后的骨架点数据，确定模型的切平面方程。
所述第四步中，还包括计算增材轮廓环每个线段的挤出量的步骤，通过实时的控制每个线段的挤出量，实现对不等厚度的轮廓的打印。
所述计算增材轮廓环每个线段的挤出量的步骤具体是：通过将增材轮廓环的线段的端点向上一相邻切平面做垂线，形成梯形，根据该梯形的面积确定该线段的挤出量，实现对不等厚度的轮廓的打印，所述线段的挤出量具体通过下式获得：
V＝K*S
其中，K为线段挤出量的调节系数，S为梯形ABDC的面积，点A、B分别是点C、D到上一切平面上的垂足；
所述梯形ABDC的面积S通过下式获得：
其中，Ds为线段起点C到上一切平面的距离；De为线段起点D到上一切平面的距离；线段CD是第i层轮廓环上的某一条线段；H为梯形ABDCD的高度；
所述梯形ABDCD的高度H通过下式获得：
其中，L为线段CD的长度；Dh为线段CD的起点和终点到上一切平面之间的距离差。
所述第三步中，切平面方程空间参考点为以层厚为参考得到的均匀化骨架点，切片平面方程的法向量为当前骨架点与前一个骨架点之间的矢量。
所述第五步中，肠瘘补片在打印的时候，使用上一层打印好的增材轮廓环作为下一层增材轮廓环的打印材料接收平台，每层增材轮廓环的打印接收平面是上一层增材轮廓环的切片平面；
旋转五轴3D打印机的摇摆轴、平台旋转轴，使得当前层已打印完成的增材轮廓环处于水平位置，为作为下一层增材轮廓环的打印接收平台做准备；
五轴3D打印机的摇摆轴、平台旋转轴旋转角度的具体计算如下式：
其中，β为每层增材轮廓环打印接收平面的法向量
在XOY面上的投影与X轴正向的夹角；δ为每层增材轮廓环打印接收平面的法向量
与Z轴正向的夹角；每层增材轮廓环打印接收平面的法向量
所述第六步中，将肠瘘补片的每层增材轮廓环数据按照五轴3D打印机的摇摆轴、平台旋转轴旋转的角度进行空间坐标变换，数据变换矩阵的计算如下：
先让弯曲管状肠瘘补片每层增材轮廓环的三维坐标点数据乘以围绕Z轴旋转变换矩阵Rz，然后再让变换后的增材轮廓环数据坐标乘以围绕Y轴旋转变换矩阵Ry，其中Rz和Ry分别为：
其中，δ是围绕Z轴旋转的角度，β是围绕Z轴旋转的角度；
假设变换前的轮廓点坐标为(x,y,z)，则变换后的坐标为(x′,y′,z′)：
与现有的技术相比，本发明的优点在于：
本发明提出的弯曲管状肠瘘补片五轴无支撑3D打印方法能够无支撑打印不规则的弯曲管状肠瘘补片模型，针对弯曲管状肠瘘补片不规则的形状，本发明采用不同的切片方式，具体是：首先提取不规则形状骨架点并对骨架数据进行插值和均匀化处理，然后利用该骨架数据生成随着模型曲率变化的倾斜切平面，最后利用这些倾斜的切平面与不规则形状进行求交。由于完全去除了打印模型时的支撑结构，因此，在节省打印材料和打印时间的同时也改善了打印模型的质量，提高了弯曲管状结构无支撑打印工艺的灵活性。
二、针对弯曲管状肠瘘补片相邻切平面不平行导致层间的厚度不均匀的问题，通过将增材轮廓环的线段的端点向上一相邻切平面做垂线，形成梯形，根据该梯形的面积确定线段的挤出量，通过实时的控制每个线段的挤出量，实现对不等厚度的轮廓的打印。
三、本发明为了能够无支撑打印不规则的弯曲管状模型，根据每层增材轮廓环的打印接收平面参数计算五轴3D打印机摇摆轴和平面旋转轴的旋转角度，通过使用上一层打印好的增材轮廓环作为下一层增材轮廓环的打印材料接收平台，并结合五轴3D打印机的打印头始终垂直向下的特点，通过实时的旋转五轴3D打印机的摇摆轴、平台旋转轴，使得当前层已打印完成的增材轮廓环处于水平位置，为作为下一层增材轮廓环的打印接收平台做准备，最终实现对不规则弯曲管状肠瘘补片的无支撑打印。
附图说明
图1弯曲管状肠瘘补片五轴打印算法流程图；
图2弯曲管状肠瘘补片模型；
图3弯曲管状肠瘘补片模型骨架点数据；
图4骨架点插值密集化处理结果；
图5骨架点均匀化流程图；
图6弯曲管状肠瘘补片层切片所得轮廓数据；
图7弯曲管状肠瘘补片每层增材轮廓环求解示意图；
图8弯曲管状肠瘘补片第i层增材轮廓环数据；
图9轮廓环线段挤出量计算示意图；
图10五轴3D打印机的摇摆轴和平台旋转轴空间旋转角度计算示意图。
具体实施方式
下面对本发明做出详细的说明：
一种弯曲管状肠瘘补片的五轴3D打印方法，包括以下步骤：
第一步：通过Solidworks软件设计弯曲管状肠瘘补片模型，如图2所示，并将模型以STL文件格式存储；
第二步：读取弯曲管状肠瘘补片模型的STL格式文件，提取弯曲管状肠瘘补片模型的骨架点数据如图3所示；
第三步：对骨架点数据的每两个相邻骨架点间进行10次拉格朗日插值，插值区间边界的两点与在骨架点数据上均匀选取八个点组成10次插值的样本数据点，然后，每个骨架点区间进行密集等间距插值，最终插值结果如图4所示。
第四步：根据输入的中心层厚dlr，对密集的骨架点进行等间距均匀化处理，具体算法如下：首先将骨架点数据按照骨架点Z坐标按从小到大进行排序，然后依次计算第i个骨架点和第i+1个骨架点之间的距离dl，当该距离大于设置的中心层厚dlr时，求出第i个骨架点向第i+1个骨架点平移层厚dlr距离的点，并将该点添加到骨架点数据中后再进行按照坐标点z值进行排序；当距离dl小于层厚dlr时，将第i+1骨架点移除，并将下标减一；然后进行下标加一，重新计算第i个骨架点和第i+1个骨架点之间的距离，循环往复，直到遍历整个骨架点数据。算法流程如图5所示：
第五步：根据均匀化处理后的骨架点数据，第i个切片平面方程是由第i个骨架点pi(xi,yi,zi)和第i+1个骨架点pi+1(xi+1,yi+1,zi+1)确定。已知第i个切平面上的一点的坐标为pi(xi,yi,zi),该切平面的法向量Ni(nxi,nyi,nzi)是点Pi指向点Pi+1的方向向量，因此
因此，该切平面的点法式方程为：
(xi+1-xi)(x-xi)+(yi+1-yi)(y-yi)+(zi+1-zi)(z-zi)＝0
经过遍历所有骨架点可以求出模型的所有的切平面。
第六步：通过切平面方程与弯曲管状肠瘘补片STL模型求交，得到切平面与模型的交点环，该交点环是的每层切片的内外环轮廓数据，其中肠瘘补片模型第i层切片的轮廓数环据如图6所示。
第七步：根据每层的轮廓数据，通过将轮廓环数据在该层切平面上进行平移偏置，生成肠瘘补片每层的增材轮廓数据，具体平移偏置过程如下所示：
如图7所示，P1、P2、P3是切片所得轮廓的3个相邻的点，已知该层切平面的法向量为
和轮廓点P1(x1,y1,z1)、P2(x2,y2,z2)、P3(x3,y3,z3)。
设向量
的垂向量为
向量
的垂向量为
由于，向量
垂直于向量
和向量
可得：
解得：
同理，利用向量
和向量
可以求出来向量
的垂向量
因此，向量
和其模Ln3为：
向量
的单位向量
为:
向量
和向量
之间的夹角α通过下式算出：
令β＝180-α，因此P2点沿着向量n3前进的距离L为：
其中，delta是人为设置的偏移量；
因此，P2点沿着向量
前进的距离L后P2'(x2',y2',z2')点的坐标为：
依次遍历所有轮廓点，可得所有轮廓环向内收缩后的轮廓点，图8是弯管第i层的增材轮廓数据：
第八步：由于相邻切平面不平行导致层间的厚度不均匀，因此需要计算轮廓环每个线段的挤出量，通过将增材轮廓环的线段的端点向上一相邻切平面做垂线，形成梯形，根据该梯形的面积确定该线段的挤出量，具体计算过程如下所示：
如图9所示，线段CD是第i层轮廓环上的某一条线段，点A、B分别是点C、D到上一切平面上的垂足，K为挤出系数，S是梯形ABDC的面积，则打印机在打印线段CD时的挤出量V为：
V＝K*S
已知线段CD的C点坐标(Xs,Ys,Zs)、D点坐标(Xe,Ye,Ze)和第i-1片切平面的方程A*(x-x0)+B(y-y0)+C(z-z0)＝0。
因此，线段CD的长度L、线段起点C和终点D到上一切平面的距离分别为Ds和De分别为：
线段CD的起点和终点到上一切平面之间的距离差Dh
Dh＝|De-Ds|
梯形ABDCD的高度H为：
梯形ABDC的面积S为：
挤出量V为：
V＝K*S
其中，K为线段挤出量的调节系数。
第九步：弯曲管状肠瘘补片在打印的时候，为了避免支撑结构的产生，使用上一层打印好的轮廓作为下一层轮廓的打印材料接收平台，因此，每层轮廓的打印接收平面是上一层的切片平面。结合五轴3D打印机的打印头始终垂直向下的特点，为了使打印当前层增材轮廓时材料垂直的落在该轮廓的打印接收平台上，这时候需要旋转五轴3D打印机的B、C轴，使得当前层轮廓的打印接收平台(该轮廓的上一层切平面)处于水平位置，B、C轴旋转角度的具体计算如下所示：
如图10所示，根据当前层轮廓的打印接收平面(该轮廓上一层切平面)的法向量
可得法向量
在XOY面上的投影与X轴正向的夹角在β和法向量
与Z轴正向的夹角δ：
第十步：由于弯曲管状肠瘘补片数据模型会随着打印平台一起转动，因此将肠瘘补片的每层增材轮廓数据按照B、C轴旋转的角度进行空间坐标变换，数据变换矩阵的计算如下所示：
先让肠瘘补片每层轮廓的三维坐标点数据乘以围绕Z轴旋转变换矩阵Rz，然后再让变换后的轮廓点坐标乘以围绕Y轴旋转变换矩阵Ry，其中Rz和Ry分别为：
其中，δ是围绕Z轴旋转的角度，β是围绕Z轴旋转的角度。
假设变换前的轮廓点坐标为(x,y,z)，则变换后的坐标为(x′,y′,z′)：
第十一步：将G代码传入五轴3D打印机，实现弯曲管状肠瘘补片的五轴3D打印。
Claims (8)
1.一种弯曲管状肠瘘补片五轴无支撑3D打印方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步：根据肠瘘走向，在计算机辅助设计软件中设计弯曲管状肠瘘补片模型，并将所述弯曲管状肠瘘补片模型以STL文件格式存储；
第二步：读取弯曲管状肠瘘补片模型的STL格式文件，提取弯曲管状肠瘘补片模型的骨架点数据；
第三步：对提取到的骨架点数据进行密集插值，得到骨架点数据，根据骨架点数据，确定弯曲管状肠瘘补片模型的切平面方程；
第四步：通过第三步得到的切平面方程与第一步得到的弯曲管状肠瘘补片模型求交点，得到弯曲管状肠瘘补片模型每层的内、外轮廓环，并通过对轮廓环数据进行平移，得到弯曲管状肠瘘补片模型每层的增材轮廓环数据；
第五步：利用每层轮廓环打印接收平面的法向量，计算五轴3D打印机的摇摆轴和平台旋转轴的旋转角度；
第六步：将所述第四步得到的所述弯曲管状肠瘘补片模型每层的增材轮廓环数据按照第五步得到的所述摇摆轴、平台旋转轴旋转的角度进行空间坐标变换，并生成G代码；
第七步：将G代码传入五轴3D打印机，实现弯曲管状肠瘘补片的无支撑打印。
2.根据权利要求1所述的弯曲管状肠瘘补片五轴无支撑3D打印方法，其特征在于，所述第三步中，相邻骨架点最大间距为0.5mm。
3.根据权利要求1所述的弯曲管状肠瘘补片五轴无支撑3D打印方法，其特征在于，
所述第三步中，还包括对所述骨架点进行等间距均匀化处理步骤，得到相邻骨架点距离相等的骨架点数据，根据均匀化处理后的骨架点数据，确定模型的切平面方程。
4.根据权利要求1所述的弯曲管状肠瘘补片五轴无支撑3D打印方法，其特征在于，所述第四步中，还包括计算增材轮廓环每个线段的挤出量的步骤，通过实时的控制每个线段的挤出量，实现对不等厚度的轮廓的打印。
5.根据权利要求4所述的一种弯曲管状肠瘘补片五轴无支撑3D打印方法，其特征在于，所述计算增材轮廓环每个线段的挤出量的步骤具体是：通过将增材轮廓环的线段的端点向上一相邻切平面做垂线，形成梯形，根据该梯形的面积确定该线段的挤出量，实现对不等厚度的轮廓的打印，所述线段的挤出量具体通过下式获得：
V＝K*S
其中，K为线段挤出量的调节系数，S为梯形ABDC的面积，点A、B分别是点C、D到上一切平面上的垂足；
所述梯形ABDC的面积S通过下式获得：
其中，Ds为线段起点C到上一切平面的距离；De为线段起点D到上一切平面的距离；线段CD是第i层轮廓环上的某一条线段；H为梯形ABDCD的高度；
所述梯形ABDCD的高度H通过下式获得：
其中，L为线段CD的长度；Dh为线段CD的起点和终点到上一切平面之间的距离差。
6.根据权利要求1所述的一种弯曲管状肠瘘补片五轴无支撑3D打印方法，其特征在于，所述第三步中，切平面方程空间参考点为以层厚为参考得到的均匀化骨架点，切片平面方程的法向量为当前骨架点与前一个骨架点之间的矢量。
7.根据权利要求1所述的一种弯曲管状肠瘘补片五轴无支撑3D打印方法，其特征在于，
所述第五步中，肠瘘补片在打印的时候，使用上一层打印好的增材轮廓环作为下一层增材轮廓环的打印材料接收平台，每层增材轮廓环的打印接收平面是上一层增材轮廓环的切片平面；
旋转五轴3D打印机的摇摆轴、平台旋转轴，使得当前层已打印完成的增材轮廓环处于水平位置，为作为下一层增材轮廓环的打印接收平台做准备；
五轴3D打印机的摇摆轴、平台旋转轴旋转角度的具体计算如下式：
其中，β为每层增材轮廓环打印接收平面的法向量
在XOY面上的投影与X轴正向的夹角；δ为每层增材轮廓环打印接收平面的法向量
与Z轴正向的夹角；每层增材轮廓环打印接收平面的法向量
8.根据权利要求7所述的一种弯曲管状肠瘘补片五轴无支撑3D打印方法，其特征在于，
所述第六步中，将肠瘘补片的每层增材轮廓环数据按照五轴3D打印机的摇摆轴、平台旋转轴旋转的角度进行空间坐标变换，数据变换矩阵的计算如下：
先让弯曲管状肠瘘补片每层增材轮廓环的三维坐标点数据乘以围绕Z轴旋转变换矩阵Rz，然后再让变换后的增材轮廓环数据坐标乘以围绕Y轴旋转变换矩阵Ry，其中Rz和Ry分别为：
其中，δ是围绕Z轴旋转的角度，β是围绕Z轴旋转的角度；
假设变换前的轮廓点坐标为(x,y,z)，则变换后的坐标为(x′,y′,z′)：
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