CN117261240B

CN117261240B - 3d打印变向平面切片方法、装置、电子设备及存储介质

Info

Publication number: CN117261240B
Application number: CN202311085674.1A
Authority: CN
Inventors: 王睿; 吴玲珑; 张召远
Original assignee: Nanjing Iungo Technology Co ltd
Current assignee: Nanjing Iungo Technology Co ltd
Priority date: 2023-08-28
Filing date: 2023-08-28
Publication date: 2024-03-29
Anticipated expiration: 2043-08-28
Also published as: CN117261240A

Abstract

本发明属于3D打印技术领域，公开了一种3D打印变向平面切片方法、装置、电子设备及存储介质。该方法包括以下步骤：计算等距点，通过等距点的坐标和切向量确定切平面，获取切片轮廓数据；对每层轮廓多边形上的点进行平移变换和旋转变换，得到变换后的切片轮廓上的各点坐标值；根据填充类型的不同将切片轮廓路径上的点进行对应变换，得到最终的打印路径。本发明的方法，在打印弯曲等不规则形状工件时，不需要采用支撑结构支撑悬空结构的打印，提高了打印效率，降低了打印难度；本方法可以针对不同的工件特征指定增材打印的方向，提高打印的灵活性。

Description

3D打印变向平面切片方法、装置、电子设备及存储介质

技术领域

本发明涉及一种3D打印变向平面切片方法，属于3D打印技术领域。

背景技术

3D打印时，目前通常采用定向平面切片方法，平面切片会沿固定方向进行切片，若打印弯曲等不规则形状工件时，随高度不再以单一方向生长，而是随高度的变化向其他方向延伸，例如打印弯管时，若依旧选择现有的定向平面切片方法，则需要格外进行支撑结构，以保证悬空结构的打印，这不但降低了打印效率，而且增加了打印难度，所以定向平面切片不再适应此弯曲等不规则形状类型工件打印。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种3D打印变向平面切片方法、装置、电子设备及存储介质，该方法可以实现弯曲等不规则形状的工件3D打印。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种3D打印变向平面切片方法，包括以下步骤：

步骤1，计算等距点：根据切片高度计算出待打印工件对应引导线上的等距点，得到等距点的坐标和切向量；

步骤2，获取切片轮廓：通过等距点的坐标和切向量确定切平面，将切平面与工件相交获取切片轮廓数据；

步骤3，切片轮廓变换：从多个相交获取的切片轮廓中确定每层填充打印的轮廓多边形，对每层轮廓多边形上的点进行平移变换和旋转变换，得到变换后的切片轮廓上的各点坐标值；

步骤4，当填充类型为螺旋填充时，将变换后的切片轮廓上的各点坐标值按照设定的对应系数进行离散，构成螺旋路径；

当填充类型为非螺旋填充时，按照切平面方向沿切片轮廓路径填充；

步骤5，路径输出：根据填充类型的不同将路径上的点进行对应变换，得到最终的打印路径。

进一步地，步骤1中，具体包括以下步骤：

步骤1.1，计算切向量：

设引导线l上任一引导点R，确定R点切向向量

步骤1.2，计算弧长：

从引导线上的引导点起点V₀开始，每两个相邻引导点的距离累加作为起点V₀到某引导点R的弧长L_R，计算出引导线上的每个引导点V到引导点起点V₀的弧长；

步骤1.3，计算等距点：

找到与切片高度h最近的引导点R，根据切片高度h、R点弧长L_R计算出对应引导线上的等距点Ept坐标及等距点的切向量

进一步地，步骤2中，具体包括以下步骤：

步骤2.1构造切平面：

通过获取的等距点Ept坐标及等距点的切向量确定切平面π；

步骤2.2对工件进行切片：

加载工件mesh的stl文件，工件mesh和切平面π求交，获取切片轮廓。

进一步地，步骤3中，具体包括以下步骤：

步骤3.1确定正确的切片轮廓：

采用等距点Ept所在的切平面π对工件mesh进行切割，产生多个相交的多边形轮廓S_i，找出等距点Ept距离每个多边形轮廓S_i上点的最近点N_i，再计算最近点N_i与等距点Ept的距离，距离最小的点所在的轮廓多边形即为确定的切片轮廓；

步骤3.2对切片轮廓平移、旋转变换：

对每层轮廓多边形上的所有点P_i先进行平移变换，再进行旋转变换，得到变换后的切片轮廓上的各点P_i'坐标值。

进一步地，步骤4中，当填充类型为螺旋填充时，具体包括以下步骤：

步骤4.1细化路径：

如果切片轮廓上的两个相邻点P_i，P_i-1间距离大于设定的路径点最大距离dist，则每隔dist距离插入点pt，直到相邻两点距离小于路径点最大距离dist；

步骤4.2调整起点：

将每层轮廓点的z值设为0，以第一层的第一个点P₀₀为起点做一条射线，与其他各层的交点作为其他层的新起点P_i0；

步骤4.3离散点构成螺旋路径：

每层的新起点P_i0作为该层螺旋路径的起点，下一层的新起点P_(i+1)0作为该层螺旋路径的终点，设该层上的插入点pt映射到下一层的最近点为pt'，该层层高h分成该层总点数pt_size份，所以第i点的对应系数那么离散成螺旋路径p_i点坐标；

切片轮廓上的各点按照对应系数进行离散，最终构成螺旋路径。

进一步地，步骤5中，具体包括以下步骤：

当填充类型为螺旋填充时，则对螺旋路径上的点P_i先进行平移变换，再进行旋转变换，最后再进行平移变换，得到变换后点的坐标值构成最终的打印路径；

当填充类型为非螺旋填充时，则对切片轮廓上的点P_i先进行旋转变换，再进行平移变换，得到变换后点的坐标值构成最终的打印路径。

一种3D打印变向平面切片装置，包括：

等距点计算模块，根据切片高度计算出对应引导线上的等距点，得到等距点的坐标和切向量；

切片轮廓获取模块，通过获取的等距点的坐标和切向量确定切平面，切平面与工件相交获取切片轮廓数据；

切片轮廓变换模块，从多个相交的切片轮廓中确定每层填充打印的轮廓多边形，对每层轮廓多边形上的点进行平移变换和旋转变换，得到变换后的切片轮廓上的各点坐标值；

螺旋填充模块，根据填充类型的不同，按照螺旋路径或按照切平面方向沿切片轮廓路径填充；

路径输出模块，根据填充类型的不同将路径上的点进行不同变换，得到最终的打印路径。

一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述技术方案中任一项所述3D打印变向平面切片方法。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述技术方案中任一项所述3D打印变向平面切片方法。

一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述技术方案中任一项所述3D打印变向平面切片方法。

本发明所达到的有益效果：

本发明的3D打印变向平面切片方法，在打印弯曲等不规则形状工件时，不需要采用支撑结构支撑悬空结构的打印，提高了打印效率，降低了打印难度。

本方法可以针对不同的工件特征指定增材打印的方向，提高打印的灵活性。

附图说明

图1变向平面切片方法流程图；

图2以管道为例，采用变向平面切片方法的步骤3对获取的切片轮廓进行变换后的效果示意图；

图3以管道为例，采用变向平面切片方法的步骤5螺旋填充时进行变换后的效果示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例1

如图1所示，本实施例中的3D打印变向平面切片方法，包括以下步骤：

步骤1.计算等距点

1.1.计算切向量：

引导线l是由n+1个点V₀,V₁,V₃…V_n点构成的曲线，n为正整数，工件mesh随着引导线l弧长增加而生长变化，设引导线上任一点V_i(0≤i<n-1)记作引导点R，V_i-1记作P，V_i+1记作Q，则R点切向向量为/>的单位向量，即

1.2.计算弧长：

从起点V₀开始，每两个相邻引导点的距离累加作为起点V₀到某引导点R的弧长，即R点弧长重复上述方法，计算出每个引导点到起点V₀的弧长。

1.3.计算等距点：

根据切片高度计算出对应引导线上的等距点。找到与切片高度h最近的引导点R，等距点Ept，在引导点则该等距点Ept坐标，即为

Ept＝P*k+R*(1-k)＝V_i-1*k+V_i*(1-k)；

等距点Ept的切向量则/>

具体推导过程为：

根据切片高度计算出对应引导线上的等距点。设与切片高度h最近的两个引导点即为步骤1.1中设定的P点和R点，引导线上的起点V₀到点Ept弧长为h，Ept即为等距点。

设系数则该等距点坐标

Ept＝P*k+R*(1-k)＝V_i-1*k+V_i*(1-k)；

设P点、R点和等距点的切向量分别为则同理可得等距点切向量

步骤2.进行切片，获取切片轮廓

2.1.构造切平面：

通过获取的等距点坐标Ept(x_e,y_e,z_e)和该点的切向量可以确定一个平面，即为切平面。

切平面π:t₁(x-x_e)+t₂(y-y_e)+t₃(z-z_e)＝0

2.2.对工件进行切片：

步骤3.获取正确切片轮廓并进行变换

3.1.找到正确的切平面：

因用等距点Ept所在的切平面π对工件mesh进行切割，可能会产生多个截面S_i(i∈N+)，其中N+表示正整数，即多个相交轮廓，并且引导线l可能在工件上，也可能在工件外，所以要先找出等距点Ept距离每个多边形轮廓S_i上点的最近点N_i(i∈N+)，再计算最近点N_i与等距点Ept的距离||Ept-N_i||，距离最小||Ept-N_i||_min的点N_i所在的轮廓多边形即为正确所需的切平面轮廓。

3.2.对切片轮廓平移、旋转变换：

因后续填充等操作，默认切平面的法向量而该方法的切平面的法向量随着工件高度的变化不断变化，所以要对每层轮廓多边形上的点进行变换。

对轮廓多边形上的所有点先进行平移变换，将等距点Ept(x_e,y_e,z_e)平移到原点O(0,0,0),设平移变换矩阵为H，设向量则

再进行旋转变换，计算出由切平面法向量(即等距点Ept的切向量)变换成默认切平面法向量/>的旋转矩阵R，则旋转变换矩阵/>

设切片轮廓上的点P_i对应向量经上述变换(即先平移变换再旋转变换)后得到向量/>

则即/>中的P_i'.x，P_i'.y，P_i'.z为变换后点P_i'的坐标值。

以管道为例，变换后的路径如图2所示。

步骤4.填充类型为螺旋填充时，需进行以下步骤4.1至4.3的具体步骤；

4.1.细化路径：

根据参数——路径点最大距离dist，对切片轮廓中两个相邻点的路径(由点构成的切片轮廓即为路径)进行细化。如果切片轮廓中两个相邻点的路径两点P_i，P_i-1间距离大于dist，即||P_i-P_i-1||>dist时，则每隔dist距离进行插点，直到相邻两点距离小于dist，||P_i'-P_i-1'||≤dist。通过插点，使离散点操作时，路径效果更好。

设新插入的点为点pt，向量设系数/>则点pt坐标/>

4.2.调整起点：

将每层轮廓点的z值设为0，以第一层的第一个点P₀₀为起点做一条射线，与其他各层的交点作为其他层的新起点P_i0。

4.3.离散点构成螺旋路径：

每层的起点P_i0作为该层螺旋路径的起点，下一层的起点P_(i+1)0作为该层螺旋路径的终点。

设该层上的点为pt，映射到下一层的最近点为pt'，该层层高h要分成该层总点数pt_size份，所以第i点的对应系数那么离散成螺旋路径p_i点坐标，

p_i＝(1-β)·pt+β·pt'；

设本层等距点为E_i，上一层等距点为E_i-1，则p_i点对应的等距点坐标，

设本层切平面法向量为即E_i点的切向量/>上一层法向量为/>即E_i-1点的切向量/>则p_i点所在切平面法向量/>

切片轮廓上的每个点按照对应系数β进行离散，最终构成螺旋路径。

当填充类型为非螺旋填充时，按照切平面方向沿切片轮廓路径填充，如常规的采用直线、偏置的填充算法填充；

步骤5.输出路径

为了方便做填充，前面将切平面的法向量转换成/>方向，因此最后输出路径要转换成原来的方向。

如果为螺旋填充，先进行平移变换，设路径上的点p_i的Z轴值为z，向量

则平移矩阵/>

再进行旋转变换，计算由默认法向量变换成原切平面法向量/>(即等距点E的切向量/>)的旋转矩阵R，则旋转变换矩阵/>

最后再进行平移变换，设等距点Ept(x_e,y_e,z_e)对应的向量则平移矩阵/>

设路径点上p_i点对应的向量最终变换后p_i'点对应的向量/>则

即/>中的p_i'.x，p_i'.y，p_i'.z为变换后点p_i'的坐标值。以管道为例，变换后的路径如图3所示。

如果为非螺旋填充，先进行旋转变换，计算出由默认法向量变换成原切平面法向量/>(即切平面所在等距点Ept的切向量/>)的旋转矩阵R，则旋转变换矩阵

再进行平移变换，设等距点Ept(x_e,y_e,z_e)对应的向量则平移矩阵/>

设路径点上p_i点对应的向量最终变换后p_i'点对应的向量/>则

即/>中的p_i'.x，p_i'.y，p_i'.z为变换后点p_i'的坐标值。

实施例2

本实施例中的3D打印变向平面切片装置，包括等距点计算模块、切片轮廓获取模块、切片轮廓变换模块、螺旋填充模块和路径输出模块；

螺旋填充模块，将变换后的切片轮廓上的各点坐标值按照设定的对应系数进行离散，构成螺旋路径；

路径输出模块，根据填充类型的不同将螺旋路径上的点进行不同变换，得到最终的打印路径。

以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，这些模块可以是或者也可以不是物理单元，也可是或者也可以不是分开的，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个系统或单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

实施例3

本实施例公开了一种电子设备，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计算机程序，处理器执行程序时实现实施例1中的3D打印变向平面切片方法。

实施例4

本实施例公开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实现实施例1中的3D打印变向平面切片方法。

实施例5

本实施例公开了一种计算机程序产品，包括计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现实施例1中的3D打印变向平面切片方法。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种3D打印变向平面切片方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，计算等距点：根据切片高度计算出待打印工件对应引导线上的等距点，得到等距点的坐标和切向量；所述引导线是由n+1个点构成的曲线，n为正整数，工件随着引导线弧长增加而生长变化；

步骤3，切片轮廓变换：从多个相交获取的切片轮廓中确定每层填充打印的轮廓多边形，对每层轮廓多边形上的点先进行平移变换再进行旋转变换，得到变换后的切片轮廓上的各点坐标值；

其中，平移变换是将等距点平移到原点；

旋转变换时，先计算由等距点的切向量变换成默认切平面法向量的旋转矩阵，将旋转矩阵/>转换为旋转变换矩阵/>，再以旋转变换矩阵进行旋转变换；

步骤4，当填充类型为螺旋填充时，将变换后的切片轮廓上的各点坐标值按照设定的对应系数进行离散，构成螺旋路径，按照螺旋路径进行填充；

步骤5，路径输出：根据填充类型的不同将路径上的点进行对应变换，得到最终的打印路径；

步骤1中，具体包括以下步骤：

步骤1.1，计算切向量：

设引导线上任一引导点/>，确定/>点切向向量/>；

步骤1.2，计算弧长：

从引导线上的引导点起点开始，每两个相邻引导点的距离累加作为起点/>到某引导点/>的弧长/>，计算出引导线上的每个引导点/>到引导点起点/>的弧长；

步骤1.3，计算等距点：

找到与切片高度最近的引导点/>，根据切片高度/>、/>点弧长/>计算出对应引导线上的等距点/>坐标及等距点的切向量/>；

步骤4中，当填充类型为螺旋填充时，具体包括以下步骤：

步骤4.1 细化路径：

如果切片轮廓上的两个相邻点，/>间距离大于设定的路径点最大距离/>，则每隔距离插入点/>，直到相邻两点距离小于路径点最大距离/>；

步骤4.2 调整起点：

将每层轮廓点的值设为0，以第一层的第一个点/>为起点做一条射线，与其他各层的交点作为其他层的新起点/>；

步骤4.3 离散点构成螺旋路径：

每层的新起点作为该层螺旋路径的起点，下一层的新起点/>作为该层螺旋路径的终点，设该层上的插入点/>映射到下一层的最近点为/>，该层层高/>分成该层总点数份，所以第/>点的对应系数/>，那么离散成螺旋路径/>点坐标；

切片轮廓上的各点按照对应系数进行离散，最终构成螺旋路径；

步骤5中，具体包括以下步骤：

当填充类型为螺旋填充时，则对螺旋路径上的点先进行平移变换，再进行旋转变换，最后再进行平移变换，得到变换后点的坐标值构成最终的打印路径；

当填充类型为非螺旋填充时，则对切片轮廓上的点先进行旋转变换，再进行平移变换，得到变换后点的坐标值构成最终的打印路径。

2.根据权利要求1所述的3D打印变向平面切片方法，其特征在于，

步骤2中，具体包括以下步骤：

步骤2.1 构造切平面：

通过获取的等距点坐标及等距点的切向量/>确定切平面π；

步骤2.2 对工件进行切片：

加载工件的/>文件，工件/>和切平面/>求交，获取切片轮廓。

3.根据权利要求1所述的3D打印变向平面切片方法，其特征在于，

步骤3中，具体包括以下步骤：

步骤3.1 确定正确的切片轮廓：

采用等距点所在的切平面/>对工件/>进行切割，产生多个相交的多边形轮廓/>，找出等距点/>距离每个多边形轮廓/>上点的最近点/>，再计算最近点/>与等距点/>的距离，距离最小的点所在的轮廓多边形即为确定的切片轮廓；

步骤3.2 对切片轮廓平移、旋转变换：

对每层轮廓多边形上的所有点先进行平移变换，再进行旋转变换，得到变换后的切片轮廓上的各点/>坐标值。

4.一种3D打印变向平面切片装置，采用权利要求1至3中任一项所述3D打印变向平面切片方法，其特征在于，包括：

5.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，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至3中任一项所述3D打印变向平面切片方法。

6.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至3中任一项所述3D打印变向平面切片方法。

7.一种计算机程序产品，包括计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至3中任一项所述3D打印变向平面切片方法。