CN116872499B - 一种可变层高的3d打印方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种可变层高的3D打印方法及系统，所述可变层高的3D打印方法包括如下步骤：S1、导入需要进行3D打印的三维模型，调整三维模型的空间位置，并裁剪三维模型的多余部分；S2、对模型进行区域划分，计算模型各区域的平均曲率值，根据平均曲率值设置不同区域切片层高，生成切片点集；S3、对切片点集进行优化，改善路径质量，得到GCode文件；S4、根据GCode文件进行打印。通过计算模型各区域的平均曲率值，根据各区域的平均曲率值，对不同区域设置不同切片层高，从而进行不同层高切片，得到变层高腕关节支具的GCode文件，从而进行3D打印，提高模型的打印质量。
Description
技术领域
本发明涉及3D打印领域，尤其涉及一种可变层高的3D打印方法及系统。
背景技术
医用的外固定支具主要起到固定病人损伤肢体部分的作用，从而减少损伤肢体部位的运动，有利于患者损伤部位的康复。随着3D打印技术在医学领域应用的不断发展，采用3D打印外固定支具能够有效减少由以前的石膏或者夹板固定所带来的缺点，例如石膏固定部位无法清洗、夹板固定的松紧程度需要凭借医生的经验调节等。这些因素都使得石膏和夹板的使用受到了限制，推动了3D打印外固定支具在医学领域应用的发展。
现有的3D打印技术中使用的3D打印切片软件，设置层高之后对模型进行切片，所有切片的层高相同，得到GCode文件后发送给打印机打印模型，但3D打印切片软件无法对模型设置不同切片的层高，不能实现模型可变层高的打印。在进行3D打印时，对于模型的不同部位，由于曲率的不同，对打印的层高有不同要求，因此，需要对模型切片时进行不同层高的设置，从而得到更好的打印模型质量。
发明内容
为实现上述技术目的，本发明提供一种可变层高的3D打印方法，旨在解决现有技术中不能实现模型可变层高的打印，具体包括以下步骤：
S1、导入需要进行3D打印的三维模型，调整三维模型的空间位置，并裁剪三维模型的多余部分；
S2、对模型进行区域划分，计算模型各区域的平均曲率值，根据平均曲率值设置不同区域切片层高，生成切片点集；
S3、对切片点集进行优化，改善路径质量，得到GCode文件；
S4、根据GCode文件进行打印。
进一步地，所述三维模型由三维扫描仪获得。
进一步地，所述三维模型为薄型构件模型，模型的内层壁与外层壁的轮廓曲率相同。
进一步地，所述步骤S2、对模型进行区域划分，计算模型各区域的平均曲率值，根据平均曲率值设置不同区域切片层高，生成切片点集，包括如下步骤：
S201、将模型曲率变化大的区域与曲率变化小的区域划分为不同的区域。
S202、将模型网格化，根据模型数据结构，计算模型中所有三角面片的单位法向量，设法向量为N1、N2、N3···Nk；
S203、由网格离散曲率算法计算模型网格中各点曲率值；
S204、根据点的曲率值，计算不同区域的平均曲率值；
S205、设定一参考层高，根据不同区域的曲率值，设置各个区域的层高，由设置的层高对模型进行切片，生成切片点集。
进一步地，所述步骤S203、由网格离散曲率算法计算模型网格中各点曲率值包括：
找出各点的一阶邻域三角面片，对相邻两面片的法向量夹角进行计算，通过构建曲率公式定义矩阵如下，其中，B表示该点的一阶邻域，|B|表示B的面积，e表示B中多边形区域的边，/>表示e方向上的单位向量，||e∩B||表示e∩B的长度，β(e)表示以e为公共边的两个三角形法向的夹角；对矩阵进行分解，计算特征向量和特征值，求得各点曲率值。
进一步地，所述步骤S204、根据点的曲率值，计算得到不同区域的平均曲率值包括：
确定一区域内包含P1、P2、P3……Pi共i个点，各点的曲率值分别为M1、M2、M3……Mi，计算该区域平均曲率值为
进一步地，所述对切片点集进行优化包括：对切片点集排序，判断相邻点的距离，距离太近则删除一个相邻点，距离太远则在两点之间插入一个中间点。
进一步地，所述改善路径质量包括，排除冗余点，所述冗余点包括对路径影响小的点和多余的点。
本发明还提供了一种支具的3D打印方法，所述3D打印方法为上述的可变层高的3D打印方法，所述支具为关节部位支具。
本发明还提供了一种可变层高的3D打印系统，包括：
导入模块，导入需要进行3D打印的三维模型，调整三维模型的空间位置，并裁剪三维模型的多余部分；
切片点集生成模块，对模型进行区域划分，计算模型各区域的平均曲率值，根据平均曲率值设置不同区域切片层高，生成切片点集；
GCode文件生成模块，对切片点集进行优化，改善路径质量，得到GCode文件；
打印模块，根据GCode文件进行打印。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
通过计算模型各区域的平均曲率值，根据各区域的平均曲率值，对不同区域设置不同切片层高，从而进行不同层高切片，得到变层高腕关节支具的GCode文件，从而进行3D打印，提高模型的打印质量。相比固定层高打印，在曲率较大的区域，若按照同样的层高打印，会出现粘连不好的情况，通过降低层高，可以很好的改善这种现象，而都按较低层高打印，又会增加打印时间，根据曲率的不同来设置相应的层高不仅能改善打印质量，还可以合理控制打印时间。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种可变层高的3D打印方法的流程示意图。
图2为本发明实施例提供的可变层高的3D打印方法中生成切片点集的流程示意图。
图3为本发明实施例提供的导入的腕关节支具模型图。
图4本发明实施例提供的腕关节支具模型区域划分图。
图5本发明实施例提供的进行可变层高切片后的路径点集图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地描述。
本发明的说明书、权利要求书及附图中的术语“第一”和“第二”等仅用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备等，没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元等，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备等固有的其它步骤或单元。
在本发明中提及的“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员可以显式地和隐式地理解的是，本发明描述的实施例可以与其它实施例相结合。
在本发明中，“至少一个(项)”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上，“至少两个(项)”是指两个或三个及三个以上，“和/或”，用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：只存在A，只存在B以及同时存在A和B三种情况，其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指这些项中的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，“a和b”，“a和c”，“b和c”，或“a和b和c”。
如图1所示，本发明提供一种可变层高的3D打印方法，包括以下步骤：
S1、导入需要进行3D打印的三维模型，调整三维模型的空间位置，并裁剪三维模型的多余部分；
S2、对模型进行区域划分，计算模型各区域的平均曲率值，根据平均曲率值设置不同区域切片层高，生成切片点集；
S3、对切片点集进行优化，改善路径质量，得到GCode文件；
S4、根据GCode文件进行打印。
在步骤S1中，需要进行3D打印的三维模型由三维扫描仪获得；通过三维空间变换来调整模型位置，裁剪三维模型的多余部分包括对模型进行包围盒裁剪、曲线裁剪和平面裁剪，使裁剪后的支具打印后方便佩戴。
所述步骤S2、所述对模型进行区域划分，所述计算模型各区域的平均曲率值，根据平均曲率值设置不同区域切片层高，生成切片点集；其中三维模型为薄型构件模型，内层壁与外层壁之间的厚度较小，内层壁与外层壁的轮廓曲率相同，计算的模型各区域的平均曲率值为内层壁曲率或外层壁曲率，两者所达到的效果相同。
如图2所示，所述步骤S2具体包括如下步骤：
S201、将模型曲率变化大的区域与曲率变化小的区域划分为若干不同的区域；
S202、将模型网格化，根据模型数据结构，计算模型中所有三角面片的单位法向量，设法向量为N1、N2、N3……Nk；
S203、由网格离散曲率算法计算模型网格中各点曲率值；
S204、根据点的曲率值，计算不同区域的平均曲率值；
S205、设定一参考层高，根据不同区域的曲率值，设置各个区域的层高，由设置的层高对模型进行切片，生成切片点集。对于曲率大的地方，层高较大时，会出现粘连不好的情况，打印效果不好，需要相应地降低层高；根据打印情况，设置一曲率阈值，以及与该曲率阈值对应的层高默认值，当曲率大于曲率阈值时，在层高默认值的基础上降低层高值。
所述步骤S201、将模型曲率变化大的区域与曲率变化小的区域划分为不同的区域；以模型为手腕关节部位为例，模型上端设置于虎口附近，模型下端区域设置于手腕下方；虎口及手腕部位的曲率变化较大，根据手腕关节的曲率特点，将手腕关节的模型划分为三个区域，其中，虎口至虎口下方30mm处为一区域，虎口下方30mm至手腕下方30mm处为一区域，剩下部分为一区域，如图4所示。
所述步骤S203、由网格离散曲率算法计算模型网格中各点曲率值包括：
找出各点的一阶邻域三角面片，对相邻两面片的法向量夹角进行计算，通过构建曲率公式定义矩阵如下，其中，B表示该点的一阶邻域，|B|表示B的面积，e表示B中多边形区域的边，/>表示e方向上的单位向量，||e∩B||表示e∩B的长度，β(e)表示以e为公共边的两个三角形法向的夹角。对矩阵进行分解，计算特征向量和特征值，求得各点曲率值。
所述步骤S204、根据点的曲率值，计算得到不同区域的平均曲率值包括：
确定一区域内包含P1、P2、P3……Pi共i个点，各点的曲率值分别为M1、M2、M3……Mi，计算该区域平均曲率值为
切片后点与点之间的距离不固定，有的相邻点过于密集，有的相邻点距离较远，所以进行点集优化，所述对切片点集进行优化包括：对切片点集排序，判断相邻点的距离，距离太近则删除一个相邻点，距离太远则在两点之间插入一个中间点，优选地，中间点为两点间的中点。
所述改善路径质量包括，排除冗余点，所述冗余点包括对路径影响小的点和多余的点；例如，对路径影响小的点包括存在于路径上，去除后不影响路径轨迹的点；多余的点包括不存在于路径轨迹上，与路径轨迹不相关的点。
如图5所示，本发明实施例提供的进行可变层高切片后的路径点集图，图中模型为手腕关节部位，图中，曲率大的区域层高较低，曲率小的区域层高较高。
本发明还提供一种支具的3D打印方法，所述3D打印方法为上述可变层高的3D打印方法。
优选地，所述支具为关节部位支具；关节部位包括上肢关节、下肢关节、寰枢关节、腰椎关节等，其中，上肢关节，如肩关节、肘关节、腕关节等大关节，以及腕掌关节、指间关节等手部的小关节；下肢关节，如髋关节、膝关节、踝关节，或者距下关节、跖趾关节等足踝部小关节；寰枢关节，即颈部；腰椎关节，即腰部。
基于上述可变层高的3D打印方法，本发明还提供一种可变层高的3D打印系统，包括：
导入模块，导入需要进行3D打印的三维模型，调整三维模型的空间位置，并裁剪三维模型的多余部分；
切片点集生成模块，对模型进行区域划分，计算模型各区域的平均曲率值，根据平均曲率值设置不同区域切片层高，生成切片点集；
GCode文件生成模块，对切片点集进行优化，改善路径质量，得到GCode文件；
打印模块，根据GCode文件进行打印。
本发明还提供一种计算机设备，包括存储器和处理器；所述存储器上存储有可由处理器运行的计算机程序；所述处理器运行所述计算机程序时，执行上述的可变层高的3D打印方法。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，其包括程序代码，当程序代码在电子设备上运行时，所述程序代码用于使所述电子设备执行上述的可变层高的3D打印方法的步骤。
其中，本实施例提供的电子设备、计算机存储介质、计算机程序产品或芯片均用于执行上文所提供的对应的方法，因此，其所能达到的有益效果可参考上文所提供的对应的方法中的有益效果，此处不再赘述。
通过以上的实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。
在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，该模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个装置，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
该作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是一个物理单元或多个物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个不同地方。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
该集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一个设备(可以是单片机，芯片等)或处理器(processor)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
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限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (5)
1.一种可变层高的3D打印方法，包括如下步骤：
S1、导入需要进行3D打印的三维模型，调整三维模型的空间位置，并裁剪三维模型的多余部分；
S2、对模型进行区域划分，计算模型各区域的平均曲率值，根据平均曲率值设置不同区域切片层高，生成切片点集；
S3、对切片点集进行优化，改善路径质量，得到GCode文件；
S4、根据GCode文件进行打印；
所述三维模型由三维扫描仪获得；
所述三维模型为薄型构件模型，模型的内层壁与外层壁的轮廓曲率相同；
所述步骤S2、对模型进行区域划分，计算模型各区域的平均曲率值，根据平均曲率值设置不同区域切片层高，生成切片点集，包括如下步骤：
S201、将模型曲率变化大的区域与曲率变化小的区域划分为不同的区域；
S202、将模型网格化，根据模型数据结构，计算模型中所有三角面片的单位法向量，设法向量为N1、N2、N3……Nk；
S203、由网格离散曲率算法计算模型网格中各点曲率值；
S204、根据点的曲率值，计算不同区域的平均曲率值；
S205、设定一参考层高，根据不同区域的曲率值，设置各个区域的层高， 由设置的层高对模型进行切片，生成切片点集；
所述步骤S203、由网格离散曲率算法计算模型网格中各点曲率值包括：
找出各点的一阶邻域三角面片，对相邻两面片的法向量夹角进行计算，通过构建曲率公式定义矩阵如下，
Ep，其中，B表示该点的一阶邻域，|B|表示B的面积，e表示B中多边形区域的边，/>表示e方向上的单位向量，/>表示/>的长度，/>表示以e为公共边的两个三角形法向的夹角；
对矩阵进行分解，计算特征向量和特征值，求得各点曲率值；
所述步骤S204、根据点的曲率值，计算得到不同区域的平均曲率值包括：
确定一区域内包含P1、P2、P3……Pi共i个点，各点的曲率值分别为M1、M2、M3……Mi，计算该区域平均曲率值为。
2.如权利要求1所述的可变层高的3D打印方法，其特征在于，所述对切片点集进行优化包括：对切片点集排序，判断相邻点的距离，距离太近则删除一个相邻点，距离太远则在两点之间插入一个中间点。
3.如权利要求2所述的可变层高的3D打印方法，其特征在于，所述改善路径质量包括，排除冗余点，所述冗余点包括对路径影响小的点和多余的点。
4.一种支具的3D打印方法，其特征在于，所述3D打印方法为权利要求1-3任一项所述的可变层高的3D打印方法，所述支具为关节部位支具。
5.一种可变层高的3D打印系统，其特征在于，所述3D打印系统使用如权利要求1-3所述的3D打印方法，包括：
导入模块，导入需要进行3D打印的三维模型，调整三维模型的空间位置，并裁剪三维模型的多余部分；
切片点集生成模块，对模型进行区域划分，计算模型各区域的平均曲率值，根据平均曲率值设置不同区域切片层高，生成切片点集；
GCode文件生成模块，对切片点集进行优化，改善路径质量，得到GCode文件；
打印模块，根据GCode文件进行打印。
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