CN116061432A - 用于3d打印的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于3D打印的方法及装置，其中，方法包括：获取第一3D模型；根据第一3D模型的几何特征，确定用于对第一3D模型进行水平分割的第一水平分割平面，从而得到与表示3D打印机的热床平面的虚拟热床平面相接触的接第一触模型分块，第一接触模型分块位于第一水平分割平面之下；对第一接触模型分块中多个第一节点进行受力分析，确定多个第一节点各自的形变位移；根据多个第一节点各自的形变位移，确定多个第一节点中是否存在第一支撑节点，第一支撑节点处用于打印支撑结构。根据本公开的实施例，可以通过弹性力学分析得到模型各个节点的形变情况，进而根据形变确定待打印对象在进行3D打印时需要添加支撑的位置，上述位置的确定将更加准确。

Description

用于3D打印的方法及装置
技术领域
本公开涉及3D打印技术领域，特别是涉及一种用于3D打印的方法及装置。
背景技术
3D打印机，又称三维打印机、立体打印机，是快速成型的一种工艺设备，通常是采用数字技术打印材料来实现。3D打印机常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型或零部件。近年来，3D打印技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工(AEC)、汽车，航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其他领域都具有很高的应用前景。
本领域已知的三维打印方法，熔融沉积成型(FDM)是一种基于数字模型，利用粉末状金属或塑料等材料，通过逐层打印的方式构造三维物体的方法，其中使用到的三维打印机是以细丝的形式向打印头供给成型材料，成型材料在打印头内以电加热的方式被加热至熔融状态。打印头按照三维打印机的控制器产生的打印头相对基底移动的路径以一层一层的方式打印出三维物体。在打印过程中，对于三维物体一些部位需要额外打印柱状的打印支撑，以避免熔融状态的成型材料在这些部位上受重力影响产生变形。最后待被打印物体成型后，将额外的支撑部分从被打印的三维物体上去除。
因此，在进行实际打印之前，需要先在三维物体的模型上确定额外设置支撑结构的部位。现有的方法是由3D打印的操作人员自行判断需要设置支撑结构的位置，但是这种人工确定的方式并不准确，导致原本需要设置支撑结构的位置没有预先设置支撑结构，从而造成三维物体在打印过程中结构不稳定。因此，现在急需一种能够根据三维物体的几何特征准确分析需要提供打印支撑的位置的方法。
发明内容
提供一种缓解、减轻或甚至消除上述问题中的一个或多个的机制将是有利的。
根据本公开的一方面，提供了一种用于3D打印的方法，包括：获取第一3D模型；根据第一3D模型的几何特征，确定用于对第一3D模型进行水平分割的第一水平分割平面，从而得到与表示3D打印机的热床平面的虚拟热床平面相接触的接第一触模型分块，第一接触模型分块位于第一水平分割平面之下；对第一接触模型分块中多个第一节点进行受力分析，确定多个第一节点各自的形变位移；根据多个第一节点各自的形变位移，确定多个第一节点中是否存在第一支撑节点，第一支撑节点处用于打印支撑结构。
根据本公开的另一方面，提供了一种用于3D打印的装置，包括：获取单元，配置成获取第一3D模型；分割单元，配置成根据第一3D模型的几何特征，确定用于对第一3D模型进行水平分割的第一水平分割平面，从而得到与表示3D打印机的热床平面的虚拟热床平面相接触的接第一触模型分块，第一接触模型分块位于第一水平分割平面之下；分析单元，配置成对第一接触模型分块中多个第一节点进行受力分析，确定多个第一节点各自的形变位移；确定单元，配置成根据多个第一节点各自的形变位移，确定多个第一节点中是否存在第一支撑节点，第一支撑节点处用于打印支撑结构。
根据本公开的又另一方面，提供了一种计算机设备，包括：至少一个处理器；以及至少一个存储器，其上存储有计算机程序，其中，计算机程序在被至少一个处理器执行时，使至少一个处理器执行上述的方法。
根据本公开的再另一方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使处理器执行上述的方法。
根据本公开的再另一方面，提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，使处理器执行上述的方法。
根据本公开的实施例，可以通过有限元分析得到模型各个节点的形变情况，进而根据形变确定待打印对象在进行3D打印时需要添加支撑的位置，相比于现有技术，上述位置的确定将更加准确。通过几何特征来选定分割平面的方式来进行受力分析，相比于逐层对该层之下的模型进行受力分析，计算量大大降低，从而分析时长大大降低并提升用户体验。
根据在下文中所描述的实施例，本公开的这些和其它方面将是清楚明白的，并且将参考在下文中所描述的实施例而被阐明。
附图说明
在下面结合附图对于示例性实施例的描述中，本公开的更多细节、特征和优点被公开，在附图中：
图1是图示出根据示例性实施例的可以在其中实施本文描述的各种方法的3D打印机系统的示意图；
图2是图示出根据示例性实施例的用于3D打印的方法的流程图；
图3是图示出根据示例性实施例的3D模型的示意图；
图4是图示出图3所示的3D模型经分割后的示意图；
图5是图示出根据另一示例性实施例的用于3D打印的方法的流程图；
图6是图示出根据另一示例性实施例的用于3D打印的方法的流程图；
图7是图示出根据示例性实施例的确定节点形变的方法的流程图；
图8是图示出根据示例性实施例的对3D模型进行水平分割的方法的流程图；
图9是图示出根据示例性实施例的对3D模型进行水平分割的原理示意图；
图10是图示出根据示例性实施例的用于3D打印的装置的示意性框图；并且
图11是图示出能够应用于示例性实施例的示例性计算机设备的框图。
具体实施方式
在本公开中，除非另有说明，否则使用术语“第一”、“第二”等来描述各种要素不意图限定这些要素的位置关系、时序关系或重要性关系，这种术语只是用于将一个元件与另一元件区分开。在一些示例中，第一要素和第二要素可以指向该要素的同一实例，而在某些情况下，基于上下文的描述，它们也可以指代不同实例。
在本公开中对各种示例的描述中所使用的术语只是为了描述特定示例的目的，而并非旨在进行限制。除非上下文另外明确地表明，如果不特意限定要素的数量，则该要素可以是一个也可以是多个。如本文使用的，术语“多个”意指两个或更多，并且术语“基于”应解释为“至少部分地基于”。此外，术语“和/或”以及“……中的至少一个”涵盖所列出的项目中的任何一个以及全部可能的组合方式。
在详细介绍本公开的各个实施例之前，首先简要介绍3D打印的基本过程。3D打印过程通常包括：1)获取3D模型；2)使用切片软件对3D模型进行切片；3)切片的结果发送至3D打印机，3D打印机基于切片的结果完成3D模型的打印。切片软件通常在与打印机进行通信连接的终端运行，终端可以为PC、手机等计算机设备。切片软件对3D模型(通常是stl或3mf格式的文件)的切片操作包括按照设置好的切片要求将3D模型切成多层，并确定每层模型的打印路径，并生成包括每层打印路径的切片结果，其中打印路径指的是3D打印机中打印头的移动路径，切片结果可以是3D打印机可执行的代码(例如gcode)，在执行切片操作前，切片软件还可以执行一些辅助打印的操作，可以包括但不限于：确定3D模型的打印朝向，确定3D模型的摆放位置，确定3D模型是否需要支撑以及支撑的位置，确定切片层高、确定不同料线之间切换时的冲刷量等中的至少一项。以上辅助打印的操作可以由切片软件自动确定，也可以基于预设的参数来确定，也可以由3D打印的用户对通过操作切片软件来指定。图1示出了根据本公开的实施例的3D打印机系统10的结构示意图。如图1所示，在该系统10中，3D打印机100连接到安装有切片软件的计算机设备1100上。3D打印机100包括箱体110、热床120、挤出头140和驱动装置(未在图1中示出)。箱体110包括箱体壁和位于箱体110壁顶部的顶盖111，热床120设置在箱体110的底部。3D打印机还具有升降机构，以用于驱动热床120上下运动(即，沿着图1所示的Z轴方向运动)。驱动装置和挤出头140相连并用于驱动挤出头140在平行于热床120的平面内运动(即图1中的X-Y平面)。具体地，驱动装置包括沿着图1中X方向延伸的第一滑杆130以及沿着图1中Y方向延伸的第二滑杆(与图1所在的平面垂直)，挤出头140分别附接到第一滑杆130和第二滑杆并且可以分别沿着这两个滑杆滑动。另外，驱动装置还包括用于驱动挤出头140在第一滑杆130或第二滑杆上滑动的电机。在实际的打印过程中，热床120被升高至上表面靠近挤出头140的喷嘴，然后开始对模型的第一层切片的打印。在第一层切片打印完成之后，热床120将下降切片层高的高度，然后挤出头140开始在第一层切片的上表面上进行第二层切片的打印。如此重复上述过程，以完成对整个模型的打印。
如前文所述，切片软件可以在三维物体的模型上确定额外设置支撑结构的部位。相关的切片软件，存在一些确定打印支撑位置的功能，其基于3D模型的几何特征来确定打印支撑点，一般是判断模型外表面对外法线方向与重力加速度方向夹角是否小于一定角度，若判断为是则在该外表面附件添加支撑结构，以保证待打印对象在重力作用下的稳定性。但是上述方法并没有确定待打印对象的具体受力情况，因此确定出的打印支撑点可能并不准确。例如，对于某些细长杆件，其所有表面外法向与重力加速度方向夹角均大于90°，但如不添加支撑，打印过程中可能发生倒塌或是由于变形过大导致表面质量差。
下面结合附图详细描述本公开确定3D模型是否需要支撑以及支撑的位置的示例性实施例。
图2是图示出根据示例性实施例的用于3D打印的方法200的流程图。方法200可以在计算机设备(例如，图1中所示的计算机设备1100)处执行并实现切片软件中的相应功能，也即，方法200的各个步骤的执行主体可以是图1中所示的计算机设备1100。在下文中，以执行主体为计算机设备1100为例，详细描述方法200的各个步骤。如图2所示，方法200包括：
步骤201，获取第一3D模型；
步骤202，根据第一3D模型的几何特征，确定用于对第一3D模型进行水平分割的第一水平分割平面，从而得到与表示3D打印机的热床平面的虚拟热床平面相接触的接第一触模型分块，第一接触模型分块位于第一水平分割平面之下；
步骤203，对第一接触模型分块中多个第一节点进行受力分析，确定多个第一节点各自的形变位移；
步骤204，根据多个第一节点各自的形变位移，确定多个第一节点中是否存在第一支撑节点，第一支撑节点处用于打印支撑结构。
根据本公开的实施例，可以通过受力分析(例如：有限元分析)得到模型各个节点的形变情况，进而根据形变确定待打印对象在进行3D打印时需要添加支撑的位置，相比于现有技术，上述位置的确定将更加准确。通过几何特征来选定分割平面的方式来进行受力分析，相比于逐层对该层之下的模型进行受力分析，计算量大大降低，从而分析时长大大降低并提升用户体验。
进一步地，在步骤201之前，可以首先将3D模型分割为悬空模型分块和接触模型分块，并将悬空模型分块作为第一3D模型并执行方法200，其中接触模型分块为与虚拟热床平面相接触的分块。对于这两种不同的模型分块可以采用不同的支撑打印策略，可以为悬空模型分块的整个下表面设置打印支撑，而对接触模型分块进行方法200来确定支撑节点。这样可以更加合理且有效地设置打印支撑的位置，对于悬空模型分块可以不进行方法200，从而减少了相关的计算机设备的计算量；而对于接触模型分块，进行受力分析之后，对其第一支撑节点位置设置打印支撑，保证了打印的精确度。
可选的，也可以进一步将添加了支撑的悬空模型分块作为第一3D模型并执行方法200，因此进一步保证了打印的精确度。
在步骤201中，计算机设备中的切片软件能够获取模型文件。模型文件定义待打印的第一3D模型。上述第一3D模型在切片软件中被示出为多面体结构，真实的待打印对象上的曲面在第一3D模型中可以由多个切面表示，当然第一3D模型也可以由其他方式示出。上述第一3D模型可以是一个整体的模型，也可以是分块好的模型，也就是说，第一3D模型包括已经预先分割好的至少一个模型分块。在一些实施例中，这些模型分块包括两类，一类是与表示3D打印机的热床平面的虚拟热床平面(即，用于承载3D模型的平面)相接触的接触模型分块。另一类是不与上述虚拟热床平面相接触的悬空模型分块，悬空模型分块的下表面和虚拟热床平面存在间隔，因此是悬空的，这些模型分块通过和其他模块连接来保持固定。在另外一些实施例中，模型分块可以仅包括一个接触模型分块。
可选的，第一3D模型可以是通过对在先的3D模型执行方法200，并添加支撑后得到的模型。
在步骤202中对第一3D模型进行第一次水平分割，得到与虚拟热床平面相接触的接第一接触模型分块，除第一接触模型分块外，分割得到的分块还可以包括悬空模型分块。在后续步骤中，将主要确定第一接触模型分块中需要添加支撑的支撑节点。
图3是图示出根据示例性实施例的3D模型的示意图300，图4是图示出图3所示的3D模型经分割后的示意图400，参照图4所示，图3的天鹅模型被一水平平面分割成了图4示出的至少两个模型分块(该模型还存在另外的模型分块，未在图4中示出)，其中，模型分块410为接触模型分块，模型420为悬空模型分块。在打印3D模型期间，可以为悬空模型分块的整个下表面添加支撑结构。由于悬空模型分块整体和虚拟热床表面分离，因此，其整体需要添加支撑结构以确保该模型分块在实际的3D打印过程中保持稳定。
在步骤203中，可以将第一触模型分块的相关参数以拉格朗日坐标的形式表示，相关参数可以包括：第一触模型分块各个位置上的边界条件、位移场及应力场。在第一触模型分块的相关参数描述为拉格朗日坐标后，会生成多个拉格朗日点，以用于后续对该模型分块的受力进行分析，其中，每个拉格朗日点对应于模型分块的一个节点，即，第一节点。在一些实施例中，可以将接触模型分块进一步划分为多个单元以用于后续进行有限元计算。如图3所示，上述划分步骤将第一接触模型分块划分成的网格状。在本实施例中，上述多个单元中的每个单元均为四面体，因此每个单元均包括4个第一节点(即，拉格朗日点)，其中，每个第一节点为四面体的一个顶点。相邻两个单元会共用一些第一节点。因此，每个接触模型分块均由多个单元构成，并且每个第一触模型分块都具有多个第一节点。如图3所示，这些第一节点有的存在于第一接触模型分块的表面，有的位于第一接触模型分块的内部。为了简化附图，图3仅示例性地标记出多个单元的其中一些单元301以及这些单元的其中部分第一节点302。
后续使用力学分析计算上述多个第一节点中每个第一节点的形变位移，在一些实施例中，力学分析可以是有限元分析。有限元分析(FEA，Finite Element Analysis)利用数学近似的方法对真实物理系统(几何和载荷工况)进行模拟。利用简单而又相互作用的元素(即单元)，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。在本实施例中，可以在有限元计算之前预先确定各个节点的约束条件以及各个节点受到的外力载荷，然后以节点的这些约束条件和外力载荷作为初始条件，对各个节点在上述初始条件的情况下，理论上会发生的形变位移的量进行计算。虽然在本实施例中，使用有限元分析计算以确定上述形变位移，但是在另外一些实施例中，还可以采用其他分析手段确定上述形变位移。可以理解，任何用于求解小变形假设下弹性力学问题的方案均可以应用到本实施例中，以确定每个第一节点的形变位移。
在步骤204中，确定多个第一节点中是否存在第一支撑节点包括：如果确定出至少一个第一支撑节点，则存在第一支撑节点；如果确定出零个第一支撑节点，则不存在第一支撑节点。
在步骤204中，确定每个第一接触模型分块上的所有第一节点中需要在后续的3D打印中添加支撑结构的第一节点，即第一支撑节点。在一些实施例中，当在步骤203中确定某个第一节点的形变位移超过预设形变阈值时，则将该第一节点确定为第一支撑节点；否则，确定该第一节点为非第一支撑节点。后续在实际进行3D打印的过程中，可以在确定为第一支撑节点的位置提供打印支撑。
图5是图示出根据另一示例性实施例的用于3D打印的方法500的流程图。该方法500可以在上述方法200的步骤204之后实施，如图5所示，该方法500包括：
步骤501，在确定存在第一支撑节点的情况下，在第一3D模型中在第一支撑节点处添加支撑结构，从而得到第二3D模型；
步骤502，根据第二3D模型的几何特征，在第一水平分割平面之上确定用于对第二3D模型进行水平分割的第二水平分割平面，从而得到与表示3D打印机的热床平面的虚拟热床平面相接触的第二接触模型分块，第二接触模型分块位于第二水平分割平面之下；
步骤503，对第二接触模型分块中多个第二节点进行受力分析，确定多个第二节点各自的形变位移；以及
步骤504，根据形变位移，确定多个第二节点中是否存在第二支撑节点，第二支撑节点处用于打印支撑结构。
在步骤501中，根据方法200中确定的第一支撑节点更新第一3D模型，具体地，将第一3D模型在对应的第一支撑节点处增加打印支撑，以形成带有打印支撑的第二3D模型。上述模型更新过程可以在与3D打印机通信连接的计算机设备上执行。可以理解，上述所指的打印支撑在存在于模型文件中的虚拟打印支撑，并对应于实际打印过程中的真实支撑。
在步骤502中，由于3D模型更新为第二3D模型，因此需要重新确定接触模型分块。在步骤502中对第二3D模型进行第二次水平分割，得到与虚拟热床平面相接触的接第二触模型分块，其中第二水平分割平面与第一水平分割平面相隔的切片层数可以大于等于两层，并且第二次水平分割得到的分块还可以包括与虚拟热床表面分离的第二悬空模型分块。在后续步骤中，将主要确定第二触模型分块中需要添加支撑的节点。后续步骤502-504和上述方法200中的步骤202-204类似，这里不再重复描述。在确定出第二支撑节点之后，在第二3D模型的第二支撑节点处添加打印支撑。当前的3D模型将包括待打印的3D模型主体、先前确定出的第一支撑节点的打印支撑以及本次确定出的第二支撑节点的打印支撑。后续在实际进行3D打印的过程中，可以按照当前的3D模型进行打印。
图6是图示出根据另一示例性实施例的用于3D打印的方法600的流程图。该方法600可以在上述方法200的步骤204之后实施，如图6所示，该方法600包括：
步骤601，在确定不存在第一支撑节点的情况下，根据第一3D模型的几何特征，在第一水平分割平面之上确定用于对第一3D模型进行水平分割的第二水平分割平面，从而得到与表示3D打印机的热床平面的虚拟热床平面相接触的第二接触模型分块，第二接触模型分块位于第二水平分割平面之下；
步骤602，对第二接触模型分块中多个第二节点进行受力分析，确定多个第二节点各自的形变位移；以及
步骤603，根据形变位移，确定多个第二节点中是否存在第二支撑节点，第二支撑节点处用于打印支撑结构。
在步骤601中，在确定第一3D模型不需要设置第一支撑节点的情况下，无需对3D模型进行更新。
在后续步骤中，将主要确定上述第二触模型分块中需要添加支撑的节点。后续步骤602-603和上述方法200中的步骤202-204类似，这里不再重复描述。在确定出第二支撑节点之后，在第一3D模型的第二支撑节点处添加打印支撑。此时的3D模型将包括待打印的模型主体以及本次确定出的第二支撑节点的打印支撑。后续在实际进行3D打印的过程中，可以按照当前的3D模型进行打印。
图7示出了根据本公开实施例的确定节点形变的方法700的流程图，该方法700为上述方法200中步骤203的进一步细化，其中，所述受力分析包括迭代受力分析。如图7所示，该方法700包括：
步骤701，在第n次迭代受力分析中：根据多个第一节点的外力载荷以及多个第一节点中约束节点的约束条件，求解弹性力学方程得到多个第一节点的当前形变位移，约束节点包括与虚拟热床接触的节点和/或与支撑结构接触的节点，与支撑结构接触的节点为根据在先形变位移确定的在先支撑节点，在先形变位移为前n-1次迭代受力分析中确定的多个第一节点的形变位移，n为大于1的整数；
步骤702，相应的，根据多个第一节点各自的形变位移，确定多个第一节点中是否存在第一支撑节点包括：根据多个第一节点各自的当前形变位移，确定多个第一节点中是否存在当前支撑节点，第一支撑节点包括当前支撑节点和/或在先支撑节点。
下面将具体描述迭代计算中的步骤。在步骤701中，首先设定第一节点中指定节点的约束条件，可以理解，多个第一节点之中仅存在部分第一节点具有约束，这些第一节点在下文中被称为指定节点，而另外的节点则不具有约束，也就是说它们是可以自由形变的。如图4所示，在多次迭代计算中，指定节点包括两种类型的节点。一种是固定节点，固定节点又包括该接触模型分块的各个节点中与虚拟热床平面接触的节点(如图4所示的节点402a)和与其他模型分块接触的节点(如图4所示的节点402b)。另一种是约束节点，即在当前迭代计算之前的多次迭代计算中已经确定出需要添加支撑结构的点(如图4所示的节点402c)。对于固定节点和约束节点，需要设置不同的约束条件，以利于模拟待打印对象各部位的实际受力情况。对于固定节点可以设置固定约束条件，以表示该节点无法形变位移。对于约束节点，则可以设定弹簧约束条件，弹簧约束条件将约束节点处的支撑结构建模为弹簧，表示该节点可以按照弹簧的运动模式发生形变位移。弹簧的刚度由支撑结构的打印材料的刚度确定，一般而言，打印材料的刚度越高，节点在同等条件下发生的形变位移越小。上述打印材料的刚度可以通过3D打印机100读取存储成型材料的料盘上的信息数据获得，也可以由3D打印的操作人员预先输入到切片软件中。
如上所述，由于约束节点是在多次迭代计算中才确定的，因此在第一次迭代中，指定节点仅包括固定节点。在第一次之后的迭代计算中，则均需要设置约束节点的约束条件，上述约束节点是之前所有迭代计算中确定出的支撑节点。
在步骤701中，每个第一节点的外力载荷和在3D打印过程中该节点的打印参数相关联，这些参数例如包括：在打印过程中该节点处的热应变、该节点处所受的重力加速度、在打印过程中热床的横向加速度以及在打印过程中3D打印机的挤出头对该节点施加的剪切力的三维分量等，这些打印参数对于外力载荷的影响将在下文进行详细说明，这里不再赘述。
根据各个第一节点的形变位移，确定本次迭代计算中的新产生的一个支撑节点。新的当前支撑节点为所述多个第一节点中当前形变位移大于位移阈值的节点中相对于所述虚拟热床平面高度最低的节点。例如：在第2次迭代中，将会计算得到一个或多个形变位移大于位移阈值的点。如图4所示，假设a、b、c、d、e均是第2次迭代中，形变位移大于位移阈值的点，那么选取相对于虚拟热床平面的高度最低的点a作为第2次迭代中确定的支撑节点。这是因为，在进行实际3D打印的过程中，待打印对象是由下往上逐层打印的，因此，可以理解，点a要先于点b、c、d、e获得打印支撑，在a点及其打印支撑打印完毕时，点b、c、d、e还未获得打印支撑。因此，将最低的形变位移大于位移阈值的点作为支撑节点符合3D打印的打印规律，能够实现对待打印对象更加精确的形变模拟。在确定好本次迭代计算中产生的支撑节点之后，即表示在实际的打印过程中需要对该支撑节点设置支撑结构，此时，进入下一个迭代计算过程。在第3次迭代中，同样将会计算得到一个或多个形变位移大于位移阈值的点，假设b’、c’、d’、e’均是第3次迭代中，形变位移大于位移阈值的点，那么选取相对于虚拟热床平面的高度最低的点b’作为第3次迭代中确定的支撑节点。这里需要注意的是，由于第3次迭代中，在对应的步骤2041中增加了新的约束条件(即，第2次迭代计算中新确定的支撑节点a的约束条件)，因此模型整体的受力情况发生变化，上述节点b’、c’、d’、e’可能未必是第2次迭代中确定的节点b、c、d、e。另外，由于支撑节点a已经增加了约束条件，其周围的节点已经变得相对稳固，因此，新确定的支撑节点b’的位置一般比上一次迭代确定的支撑节点a高。在确定好本次迭代计算中产生的支撑节点之后，即表示在实际的打印过程中需要对该支撑节点设置支撑结构，此时，再进入下一个迭代计算过程。在下一次迭代计算过程，之前迭代计算得到的支撑节点将转变为本次迭代计算的约束节点，需要为该节点增加约束条件。因此，上述在先支撑节点包括：在第m次迭代受力分析中确定的在先形变位移中大于位移阈值的在先形变位移中对应的节点中相对于所述虚拟热床平面高度最低的节点，其中，m为大于等于1，且小于等于n-1的任意整数。
从上述步骤可以看出，每一次迭代计算实际上在模拟所有之前的迭代计算中确定出的支撑节点都被设置支撑结构之后，模型的新的受力情况和形变位移。最终，在经历n次迭代计算之后，将会确定出n个支撑节点。在步骤204中，可以将这n个支撑节点确定为在打印3D模型期间需要打印支撑结构的节点。可以理解，由于打印支撑一般为连接热床和待打印物体的竖直柱状结构，其具有一定的截面大小，因此，在实际操作中，可以将支撑节点一定范围内的多个节点都确定为需要打印支撑结构的节点。在一些实施例中，当迭代计算至所有第一节点的形变位移均小于位移阈值时，即，不再产生新的支撑节点时，停止迭代计算过程。最终得到的所有支撑节点就是需要打印支撑结构的节点。
本公开实施例的方法通过多次迭代计算能够从下到上依次确定待打印对象的多个需要打印支撑的位置，这种迭代计算方式符合3D打印从下到上逐层打印的实际过程，因此能够精确模拟3D打印过程中待打印对象在不同阶段的各个节点的实际受力情况，从而能够更加准确地确定待打印对象需要添加支撑的位置。
下面将详细说明在上述步骤701中如何确定各个节点的外力载荷。上述外力载荷可以根据节点在实际进行3D打印过程中的至少一个打印参数确定。例如，当打印参数为热应力时，可以首先确定热床120温度以及挤出头140的喷嘴温度，然后通过上述温度值确定热应力，热应力和上述两个温度值存在函数对应关系，基于上述函数对应关系利用确定的温度值计算得到热应力，进而确定外力载荷。上述函数对应关系可以通过经验公式或有限次实验获得。再例如，当打印参数为重力加速度时，则根据当地的重力加速度(一般为9.8m/s2)确定外力载荷。另外，考虑到在3D打印过程中，3D打印机的热床120可能出现晃动，因此，在一些实施例中，打印参数还可以是在打印过程中热床120的横向加速度，外力载荷可以基于上述横向加速度(其可以包括两个方向上的加速度)确定。在3D打印过程中，3D打印机的挤出头140和刚刚挤出的成型材料粘连，因此，正在成型的待打印对象部分还受到挤出头140的剪切力的作用，因此，在一些实施例中，打印参数还可以是在打印过程中3D打印机的挤出头140对该节点施加的剪切力的三维分量，外力载荷可以基于上述剪切力的任何一个分量确定。
在方法700的迭代计算中，上述外力载荷可以基于上述多个打印参数中的其中一种生成，即一种打印参数对应一种不同的外力载荷的工况。在这种情况下，可以针对多种不同的工况分别进行迭代计算，从而得到多种支撑节点的可能，后续可以通过综合考虑这些约束节点的可能来确定最终的约束节点。在另外一些实施例中，上述外力载荷可以基于上述多个打印参数中的所有打印参数生成，即，仅存在一种外力载荷的工况。在这种情况下，可以仅针对该工况进行迭代计算，从而得到确定的约束节点。
在一些可选实施例中，第一水平分割平面分割第一3D模型所得到的截面包含的多边形的数量，大于第一水平分割平面的上方相邻的水平分割平面分割第一3D模型所得到的截面包含的多边形的数量，换句话说，如果候选水平分割平面分割第一3D模型所得到的截面包含的多边形的数量，大于候选水平分割平面的上方相邻的水平分割平面分割第一3D模型所得到的截面包含的多边形的数量，则候选水平分割平面为第一水平分割平面。对于第二水平分割平面的确定方式同样如此，在此不再赘述。3D模型往往具有一定的拓扑结构，上述水平分割平面的确定标准便于找到拓扑结构的节点位置，也就是在该节点位置对应的水平位置处有至少两个部件还未彼此连接，在该水平位置之上该至少两个部件会存在连接，也就是说从该水平位置向上，相应的力学结构也会变得更加稳定，也就是说在打印机打印至该水平位置处所在切片层时，至少两个部件的力学结构是相对不稳定的，也是比较相对需要支撑的时候。因此上述确定水平分割面的方式可以更准确的确定水平分割平面。
需要说明的是，相邻可以理解为两个水平分割平面之间的具体为N个切片层高，其中N为正整数。
在另一些可选实施例中，图8示出了根据本公开一个实施方式的对3D模型进行水平分割的方法800的流程图，该方法800包括：
步骤801，预先设定不同高度的多个候选水平分割平面；
步骤802，根据分别由多个候选水平分割平面分割得到的多个截面所包含的多边形的数量从多个候选水平分割平面中选择至少一个第一水平分割平面；以及
步骤803，按照至少一个第一水平分割平面对模型进行水平分割。
方法800可以在相关的软件中进行，例如可以在计算机设备1100的切片软件中执行。在步骤801中，切片软件将预先设定多个不同高度的多个候选水平分割平面，例如可以每间隔一定的竖直距离设置一个候选水平分割平面，然后在切片软件中模拟每一个候选水平分割平面的分割过程，并得到对应于每一个候选水平分割平面的截面。图9示出了根据本公开实施例的对3D模型进行水平分割的原理示意图。如图9所示，共设置了3个候选水平分割平面A-C(为了简化附图，图示的实施例只包括3个候选水平分割平面，但是在另外的实施例中，为了提高分割的准确度，可以包括多于3个的候选水平分割平面)，每个候选水平分割平面对应于一个分割截面。如图9所示，这些候选水平分割平面的分割截面包括一个或一个以上的多边形，这取决于模型的几何特征，一般来说，当截面所包含的多边形为两个或以上时，这个高度上的模型可能包括多个独立的模型分块，独立的模型分块例如可以使第一悬空模型分块或第一接触模型分块。因此，在步骤802中，可以根据多个截面所包含的多边形的数量确定第一水平分割平面，这样便于将第一接触模型分块和第一悬空模型分块分割开。
在步骤802中，对于多个候选水平分割平面中的每一个候选水平分割平面：响应于确定第一截面所包含的多边形的数量大于第二截面所包含的多边形的数量，确定该候选水平分割平面为第一水平分割平面，其中，第一截面是由该候选水平分割平面分割得到的截面，第二截面是由该候选水平分割平面的上方相邻的候选水平分割平面分割得到的截面。继续参照图9所示的实施例，其中A的分割截面仅具有一个多边形，而B的分割截面包括两个多边形，C的分割截面同样包括两个多边形。A和B作为两个上下相邻的候选水平分割平面，A所对应的截面所包含的多边形的数量减少，因此，可以将B作为第一水平分割平面。需要补充说明的是，在一些模型的几何形状较为复杂的实施例中，可能存在多个第一水平分割平面。在方法500和方法600中，确定第二水平分割平面可以包括：确定在第一水平分割平面之上的候选水平分割平面，将该候选水平分割平面作为第二水平分割平面。例如，可以将与第一水平分割平面相邻且位于其上方的候选水平分割平面作为第二水平分割平面。
在一些实施方式中，对于多个水平分割平面方案，是从3D模型的打印方向由下往上进行确定，并进行支撑节点的确定的。
根据本公开的另一方面，还提供了一种用于3D打印的装置。图10是图示出根据示例性实施例的用于3D打印的装置1000的示意性框图。如图10所示，该装置1000包括：获取单元1010，配置成获取第一3D模型；分割单元1020，配置成根据第一3D模型的几何特征，确定用于对第一3D模型进行水平分割的第一水平分割平面，从而得到与表示3D打印机的热床平面的虚拟热床平面相接触的接第一触模型分块，第一接触模型分块位于第一水平分割平面之下；分析单元1030，配置成对第一接触模型分块中多个第一节点进行受力分析，确定多个第一节点各自的形变位移；确定单元1040，配置成根据多个第一节点各自的形变位移，确定多个第一节点中是否存在第一支撑节点，第一支撑节点处用于打印支撑结构。
应当理解，图10中所示装置1000的各个单元/模块可以与参考图2描述的方法200中的各个步骤相对应。由此，上面针对方法200描述的操作、特征和优点同样适用于装置1000及其包括的模块。为了简洁起见，某些操作、特征和优点在此不再赘述。
虽然上面参考特定模块讨论了特定功能，但是应当注意，本文讨论的各个模块的功能可以分为多个模块，和/或多个模块的至少一些功能可以组合成单个模块。本文讨论的特定模块执行动作包括该特定模块本身执行该动作，或者替换地该特定模块调用或以其他方式访问执行该动作(或结合该特定模块一起执行该动作)的另一个组件或模块。因此，执行动作的特定模块可以包括执行动作的该特定模块本身和/或该特定模块调用或以其他方式访问的、执行动作的另一模块。例如，上面描述的表示单元930和计算单元940在一些实施例中可以组合成单个模块。如本文使用的，短语“实体A发起动作B”可以是指实体A发出执行动作B的指令，但实体A本身并不一定执行该动作B。
还应当理解，本文可以在软件硬件元件或程序模块的一般上下文中描述各种技术。上面关于图9描述的各个模块可以在硬件中或在结合软件和/或固件的硬件中实现。例如，这些模块可以被实现为计算机程序代码/指令，该计算机程序代码/指令被配置为在一个或多个处理器中执行并存储在计算机可读存储介质中。可替换地，这些模块可以被实现为硬件逻辑/电路。例如，在一些实施例中，获取单元1010、分割单元1020、确定单元1040、分析单元1030、中的一个或多个可以一起被实现在片上系统(System on Chip,SoC)中。SoC可以包括集成电路芯片(其包括处理器(例如，中央处理单元(Central Processing Unit,CPU)、微控制器、微处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor,DSP)等)、存储器、一个或多个通信接口、和/或其他电路中的一个或多个部件)，并且可以可选地执行所接收的程序代码和/或包括嵌入式固件以执行功能。
根据本公开的一方面，提供了一种计算机设备，其包括存储器、处理器以及存储在存储器上的计算机程序。该处理器被配置为执行计算机程序以实现上文描述的任一方法实施例的步骤。
根据本公开的一方面，提供了一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上文描述的任一方法实施例的步骤。
根据本公开的一方面，提供了一种计算机程序产品，其包括计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上文描述的任一方法实施例的步骤。
在下文中，结合图11描述这样的计算机设备、非暂态计算机可读存储介质和计算机程序产品的说明性示例。
图11示出了可以被用来实施本文所描述的方法的计算机设备1100的示例配置。举例来说，图1中所示的计算机设备1100可以是或包括类似于计算机设备1100的架构。上述用于3D打印的方法也可以全部或至少部分地由计算机设备1100或类似设备或系统实现。
计算机设备1100可以是各种不同类型的设备。计算机设备1100的示例包括但不限于：台式计算机、服务器计算机、笔记本电脑或上网本计算机、移动设备(例如，平板电脑、蜂窝或其他无线电话(例如，智能电话)、记事本计算机、移动台)、可穿戴设备(例如，眼镜、手表)、娱乐设备(例如，娱乐器具、通信地耦合到显示设备的机顶盒、游戏机)、电视或其他显示设备、汽车计算机等等。
计算机设备1100可以包括能够诸如通过系统总线1114或其他适当的连接彼此通信的至少一个处理器1102、存储器1104、(多个)通信接口1106、显示设备1108、其他输入/输出(I/O)设备1110以及一个或更多大容量存储设备1112。
处理器1102可以是单个处理单元或多个处理单元，所有处理单元可以包括单个或多个计算单元或者多个核心。处理器1102可以被实施成一个或更多微处理器、微型计算机、微控制器、数字信号处理器、中央处理单元、状态机、逻辑电路和/或基于操作指令来操纵信号的任何设备。除了其他能力之外，处理器1102可以被配置成获取并且执行存储在存储器1104、大容量存储设备1112或者其他计算机可读介质中的计算机可读指令，诸如操作系统1116的程序代码、应用程序1118的程序代码、其他程序1120的程序代码等。
存储器1104和大容量存储设备1112是用于存储指令的计算机可读存储介质的示例，所述指令由处理器1102执行来实施前面所描述的各种功能。举例来说，存储器1104一般可以包括易失性存储器和非易失性存储器二者(例如RAM、ROM等等)。此外，大容量存储设备1112一般可以包括硬盘驱动器、固态驱动器、可移除介质、包括外部和可移除驱动器、存储器卡、闪存、软盘、光盘(例如CD、DVD)、存储阵列、网络附属存储、存储区域网等等。存储器1104和大容量存储设备1112在本文中都可以被统称为存储器或计算机可读存储介质，并且可以是能够把计算机可读、处理器可执行程序指令存储为计算机程序代码的非暂态介质，所述计算机程序代码可以由处理器1102作为被配置成实施在本文的示例中所描述的操作和功能的特定机器来执行。
多个程序可以存储在大容量存储设备1112上。这些程序包括操作系统1116、一个或多个应用程序1118、其他程序1120和程序数据1122，并且它们可以被加载到存储器1104以供执行。这样的应用程序或程序模块的示例可以包括例如用于实现以下部件/功能的计算机程序逻辑(例如，计算机程序代码或指令)：获取单元1010、分割单元1020、确定单元1040、分析单元1030、方法200、方法500、600和/或方法700(包括方法200、方法500、600、700的任何合适的步骤)、和/或本文描述的另外的实施例。
虽然在图11中被图示成存储在计算机设备1100的存储器1104中，但是模块1116、1118、1120和1122或者其部分可以使用可由计算机设备1100访问的任何形式的计算机可读介质来实施。如本文所使用的，“计算机可读介质”至少包括两种类型的计算机可读介质，也就是计算机可读存储介质和通信介质。
计算机可读存储介质包括通过用于存储信息的任何方法或技术实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质，所述信息诸如是计算机可读指令、数据结构、程序模块或者其他数据。计算机可读存储介质包括而不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术，CD-ROM、数字通用盘(DVD)、或其他光学存储装置，磁盒、磁带、磁盘存储装置或其他磁性存储设备，或者可以被用来存储信息以供计算机设备访问的任何其他非传送介质。与此相对，通信介质可以在诸如载波或其他传送机制之类的已调制数据信号中具体实现计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据。本文所定义的计算机可读存储介质不包括通信介质。
一个或更多通信接口1106用于诸如通过网络、直接连接等等与其他设备交换数据。这样的通信接口可以是以下各项中的一个或多个：任何类型的网络接口(例如，网络接口卡(NIC))、有线或无线(诸如IEEE 802.11无线LAN(WLAN))无线接口、全球微波接入互操作(Wi-MAX)接口、以太网接口、通用串行总线(USB)接口、蜂窝网络接口、BluetoothTM接口、近场通信(NFC)接口等。通信接口1106可以促进在多种网络和协议类型内的通信，其中包括有线网络(例如LAN、电缆等等)和无线网络(例如WLAN、蜂窝、卫星等等)、因特网等等。通信接口1106还可以提供与诸如存储阵列、网络附属存储、存储区域网等等中的外部存储装置(未示出)的通信。
在一些示例中，可以包括诸如监视器之类的显示设备1108，以用于向用户显示信息和图像。其他I/O设备1110可以是接收来自用户的各种输入并且向用户提供各种输出的设备，并且可以包括触摸输入设备、手势输入设备、摄影机、键盘、遥控器、鼠标、打印机、音频输入/输出设备等等。
本文描述的技术可以由计算机设备1100的这些各种配置来支持，并且不限于本文所描述的技术的具体示例。例如，该功能还可以通过使用分布式系统在“云”上全部或部分地实现。云包括和/或代表用于资源的平台。平台抽象云的硬件(例如，服务器)和软件资源的底层功能。资源可以包括在远离计算机设备1100的服务器上执行计算处理时可以使用的应用和/或数据。资源还可以包括通过因特网和/或通过诸如蜂窝或Wi-Fi网络的订户网络提供的服务。平台可以抽象资源和功能以将计算机设备1100与其他计算机设备连接。因此，本文描述的功能的实现可以分布在整个云内。例如，功能可以部分地在计算机设备1100上以及部分地通过抽象云的功能的平台来实现。
虽然在附图和前面的描述中已经详细地说明和描述了本公开，但是这样的说明和描述应当被认为是说明性的和示意性的，而非限制性的；本公开不限于所公开的实施例。通过研究附图、公开内容和所附的权利要求书，本领域技术人员在实践所要求保护的主题时，能够理解和实现对于所公开的实施例的变型。在权利要求书中，词语“包括”不排除未列出的其他元件或步骤，不定冠词“一”或“一个”不排除多个，术语“多个”是指两个或两个以上，并且术语“基于”应解释为“至少部分地基于”。在相互不同的从属权利要求中记载了某些措施的仅有事实并不表明这些措施的组合不能用来获益。

Claims (14)

1.一种用于3D打印的方法，包括：
获取第一3D模型；
根据所述第一3D模型的几何特征，确定用于对所述第一3D模型进行水平分割的第一水平分割平面，从而得到与表示3D打印机的热床平面的虚拟热床平面相接触的接第一触模型分块，所述第一接触模型分块位于所述第一水平分割平面之下；
对所述第一接触模型分块中多个第一节点进行受力分析，确定所述多个第一节点各自的形变位移；
根据所述多个第一节点各自的形变位移，确定所述多个第一节点中是否存在第一支撑节点，所述第一支撑节点处用于打印支撑结构。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在确定存在所述第一支撑节点的情况下，在所述第一3D模型中在所述第一支撑节点处添加支撑结构，从而得到第二3D模型；
根据所述第二3D模型的几何特征，在所述第一水平分割平面之上确定用于对所述第二3D模型进行水平分割的第二水平分割平面，从而得到与表示3D打印机的热床平面的虚拟热床平面相接触的第二接触模型分块，所述第二接触模型分块位于所述第二水平分割平面之下；
对所述第二接触模型分块中多个第二节点进行受力分析，确定所述多个第二节点各自的形变位移；
根据所述形变位移，确定所述多个第二节点中是否存在第二支撑节点，所述第二支撑节点处用于打印支撑结构。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在确定不存在所述第一支撑节点的情况下，根据所述第一3D模型的几何特征，在所述第一水平分割平面之上确定用于对所述第一3D模型进行水平分割的第二水平分割平面，从而得到与表示3D打印机的热床平面的虚拟热床平面相接触的第二接触模型分块，所述第二接触模型分块位于所述第二水平分割平面之下；
对所述第二接触模型分块中多个第二节点进行受力分析，确定所述多个第二节点各自的形变位移；
根据所述形变位移，确定所述多个第二节点中是否存在第二支撑节点，所述第二支撑节点处用于打印支撑结构。
4.根据权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，所述获取所述第一3D模型包括：获取模型文件，所述模型文件定义待打印的所述第一3D模型。
5.根据权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于，所述对所述第一接触模型分块中多个第一节点进行受力分析，确定所述多个第一节点各自的形变位移包括：
根据所述多个第一节点的外力载荷以及所述多个第一节点中约束节点的约束条件，求解弹性力学方程得到所述多个第一节点的形变位移，所述约束节点包括与所述虚拟热床接触的节点。
6.根据权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于，所述受力分析包括迭代受力分析，所述对所述第一接触模型分块中多个第一节点进行受力分析，确定所述多个第一节点各自的形变位移包括：
在第n次迭代受力分析中：根据所述多个第一节点的外力载荷以及所述多个第一节点中约束节点的约束条件，求解弹性力学方程得到所述多个第一节点的当前形变位移，所述约束节点包括与所述虚拟热床接触的节点和/或与支撑结构接触的节点，所述与支撑结构接触的节点为根据在先形变位移确定的在先支撑节点，所述在先形变位移为前n-1次迭代受力分析中确定的所述多个第一节点的形变位移，n为大于1的整数；
相应的，根据所述多个第一节点各自的形变位移，确定所述多个第一节点中是否存在第一支撑节点包括：根据所述多个第一节点各自的当前形变位移，确定所述多个第一节点中是否存在当前支撑节点，所述第一支撑节点包括所述当前支撑节点和/或在先支撑节点。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述当前支撑节点为所述多个第一节点中当前形变位移大于位移阈值的节点中相对于所述虚拟热床平面高度最低的节点；所述在先支撑节点包括：在第m次迭代受力分析中确定的在先形变位移中大于位移阈值的在先形变位移中对应的节点中相对于所述虚拟热床平面高度最低的节点，m为大于等于1，且小于等于n-1的任意整数。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述与支撑结构接触的节点约束条件包括弹簧约束条件，其中，所述弹簧约束条件将所述与支撑结构接触的节点处的支撑结构建模为弹簧，所述弹簧的刚度由支撑结构的打印材料的刚度确定。
9.根据权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于，所述第一支撑节点为所述多个第一节点中形变位移大于位移阈值的节点中相对于所述虚拟热床平面高度最低的节点。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一水平分割平面分割所述第一3D模型所得到的截面包含的多边形的数量，大于所述第一水平分割平面的上方相邻的水平分割平面分割所述第一3D模型所得到的截面包含的多边形的数量。
11.一种用于3D打印的装置，其特征在于，包括：
获取单元，配置成获取第一3D模型；
分割单元，配置成根据所述第一3D模型的几何特征，确定用于对所述第一3D模型进行水平分割的第一水平分割平面，从而得到与表示3D打印机的热床平面的虚拟热床平面相接触的接第一触模型分块，所述第一接触模型分块位于所述第一水平分割平面之下；
分析单元，配置成对所述第一接触模型分块中多个第一节点进行受力分析，确定所述多个第一节点各自的形变位移；
确定单元，配置成根据所述多个第一节点各自的形变位移，确定所述多个第一节点中是否存在第一支撑节点，所述第一支撑节点处用于打印支撑结构。
12.一种计算机设备，其特征在于，包括：
至少一个处理器；以及
至少一个存储器，其上存储有计算机程序，
其中，所述计算机程序在被所述至少一个处理器执行时，使所述至少一个处理器执行权利要求1-10中任一项所述的方法。
13.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使所述处理器执行权利要求1-10中任一项所述的方法。
14.一种计算机程序产品，其特征在于，包括计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，使所述处理器执行权利要求1-10中任一项所述的方法。
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